Y-TECH Inverter 기초 교육 자료 허가없이 무단 복제 및 사용을 금함

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1 Y-TECH Inverter 기초 교육 자료 허가없이 무단 복제 및 사용을 금함
작 성 일 2004/05/30 1/51 목 차 1. 인버터 란 2. 인버터 구성품의 설계 3. 인버터 주변기기 선정 4. 인버터 부하 특성 5. 인버터 Option과 주변기기의 선정 6. Reactor의 응용 7. 주변기기 적용상의 주의 사항 8. DC Motor를 AC Motor 교체시 용량 계산 Y.J. Kim 허가없이 무단 복제 및 사용을 금함 Y-TECH

2 1. 인버터 란? Y-TECH Inverter 기초 교육 자료 ■ 서론
작 성 일 2004/05/30 2/51 1. 인버터 란? ■ 서론 - 개발 전 DC Motor : 산업체에서 속도제어를 필요로 하는 동력원으로 사용 AC Motor : 정속도 운전에 사용 - 1957년 : Thyristor(SCR) 개발 - 1960년 : 전력전자 분야의 발전과 함께 유도전동기도 속도제어 계통에 사용 속도제어 방식 : 1차 전압제어 방식, 주파수 변환 방식 ■ 사용 목적 - 공정제어(Process Control) - 공장 자동화 - 에너지 절약 가열로 송풍기(Blower)의 경우 제품의 종류나 생산량에 따라 Inverter로 Blower의 속도를 조정함으로써 풍량 조 절이 가능하여 가열로내의 온도를 최적의 온도로 조절함으로써 제품의 질적 향상을 꾀할 수 있을 뿐 아니라, 이 때 소요 동력은 풍량 감소의 3승에 비례하여 감소 함으로써 커다란 에너지 절감 효과를 기대. * 모터를 일정속도로 구동하는 Fan을 대기온도에 따른 냉각수 온도변화를 감지 시켜 적정 냉각수 온도 유지를 위해 , 전동기의 회전수 제어를 하면 소요동력은 회전수 3승에 비례해서 감소하므로 큰 전력을 절감할 수 있다. - 소요동력은 회전속도 3승에 비례 : P2 = P1  (N2 / N1)3 N1 : 정격회전속도, N2 : 인버터 제어시 회전속도 P1 : 정격시 동력 , P2 : 인버터 제어시 동력 Y-TECH

3 Y-TECH Inverter 기초 교육 자료
작 성 일 2004/05/30 3/ 51 ■ Inverter에 의한 가변속시 장점 1) DC Motor나 권선형 Motor의 속도 제어에 비하여 AC Motor 사용 시 ▶ Motor의 구조가 간단하며 Compact하다. ▶ 보수 및 점검이 용이하다. ▶ Motor가 개방형, 전폐형, 방수형, 방식형 등 설치 환경에 따라 보호구조가 가능한 특징을 가지고 있다. ▶ 부하 역률 및 효율이 높다. 2) 일반적인 Fan, Blower용 Damper를 비롯하여 V.S Motor 또는 기계적 무단 속도 제어방식에 비하여 ▶ 순간정전, 부하단 SHORT 등에 대한 내구성이 뛰어나다. ▶ Trip 원인 제거 후 자동적으로 재기동 할 수 있는 기능을 갖고 있다. ▶ 주변회로가 간단하고 조작성이 뛰어나다. ▶ 많은 보호기능을 가지고 있을 뿐 아니라, 자기진단 기능을 가지고 있어 고장 원인의 식별이 용이하다. ▶ 속도제어 범위가 광범위 하다. ▶ 다단속도 조정 등의 기능으로 조작이 간단하고, 생산성 향상 및 품질의 극대화를 꾀할 수 있다. ▶ 기동전류가 정격전류 이하(일반적으로 기동전류는 정격전류의 6~7배)이므로 기동전류에 따른 전압강하가 없고 변압기 및 부속설비 용량을 증가 시킬 필요가 없다. ▶ PLC 등의 연동운전에 의해 공장 자동화가 가능하다. ▶ Fan, Pump, Blower와 같은 부하에 적용 시 에너지 절감 효과가 크다. ▶ Crane, Hoist 및 Conveyer 등에 적용 시 Soft-Start/Soft-Stop이 가능 하므로 기계적 파손 및 제품의 파손을 방지 할 수 있다. ▶ 운전 효율이 높다. Y-TECH

4 Y-TECH Inverter 기초 교육 자료
작 성 일 2004/05/30 4/ 51 ■ 인버터 속도 제어 방법 극수 P, 주파수 f, Slip s 를 임의로 가변 시키면 임의의 회전속도 N을 얻을 수 있음. 1) 극수(P) 제어 아래 그림과 같이 연속제어가 불가능하며 극수의 값에 따라 한 점에서 Motor 속도가 제어된다 2) 슬립( S ) 제어 아래 그림과 같이 슬립을 제어할 경우 저속 운전시 에는 손실이 커지게 된다. 3600 1800 1200 900 2 4 8 6 극수 Y-TECH

5 Y-TECH Inverter 기초 교육 자료
작 성 일 2004/05/30 5/ 51 3) 주파수( f ) 제어 모터에 가해지는 주파수를 변화 시키면, 극수( P )제어와는 달리 제어는 rpm 에서 연속적인 속도 제어가 가능하고 또한 그림과 같이 슬립(S)제어보다 고 효율 운전이 가능하게 된다. 이 원리를 이용하여 Motor의 가변속을 실행하는 것이 Inverter이다. Inverter는 교류를 일단 직류로 변환시켜 이 직류를 반도체 소자의 스위칭에 의하여 교류로 역변환을 한다. 이 때에 스위칭에 의하여 교류로 역 변환을 하며, 스위칭 간격을 가변 시킴으로써 주파수를 임의로 변화시키는 것이다. 실제로는 Motor 운전시 충분한 Torque를 확보하기 위해 주파수 뿐만 아니라, 전압도 주파수에 따라 가변 시킨다. 따라서, Inverter 는 VVVF( Variable Voltage Variable Frequency )라 한다 Y-TECH

6 Y-TECH Inverter 기초 교육 자료
작 성 일 2004/05/30 6/ 51 ■ 인버터의 분류 1) 주회로 방식에 의한 분류 - 전류형 Inverter 전류형 Inverter는 DC LINK 양단에 평활용 콘덴서 대신에 Reactor L을 사용하는데, Inverter측에서 보면 높은 Impedance 직류 전류원으로 볼 수 있으므로 전류형 Inverter라 한다. - 전류 일정 제어. ① Converter 부 : Controlled Rectifier라고 하며, Inverter 출력전류의 크기를 제어 ② DC-Link 부 : DC-Link 내의 직류전류를 평활. ③ Inverter 부 : Controlled Rectifier 에서 제어된 직류 전류를 Inverter부에서 원하는 주파수로 스위칭 하여 출력을 발생 - 출력 주파수제어 - 출력전압 및 전류 파형 전류파형 – 구형파/전압파형 - 정현파 - 특징 ① 회생(Regeneration)이 가능 ② Inverter의 주소자를 Turn-Off 시간이 비교적 긴 Phase Control용 SCR을 사용 ③ 전류제어를 할 경우 Torque-속도 곡선의 불안정 영역에서 운전되므로 반드시 제어 Loop가 필요 ④ Inverter의 동작 주파수의 최소치와 최대치가 제한 ( 6 ∼ 66Hz ). 최소 주파수 : 전동기의 맥동 Torque 최대 주파수 : Inverter의 전류 실패(Commutation Failure) ⑤ Inverter 출력단과 Motor간에 역률 개선용 진상콘덴서가 사용가능 Y-TECH

7 Y-TECH Inverter 기초 교육 자료
작 성 일 2004/05/30 7/ 51 - 전류형 Inverter의 장.단점 ① 장점 ⓐ 4상한 운전이 가능하다. ⓑ 전류회로가 간단하며, 고속 Thyristor가 필요 없다. ⓒ 전류가 제한되므로 Pull-Out 되지 않는다. ⓓ 과부하시에도 속도만 낮아지고 운전이 가능하다. ⓔ 넓은 범위에서 효과적인 Torque 제어를 할 수 있다. ⓕ 유도성 부하 외에 용량성 부하에도 사용할 수 있다. ⓖ 스위칭 소자 및 출력 변압기의 이용률이 높다. ⓗ 일정 전류특성으로 강력한 전압원을 가한것 처럼 기동 Torque가 크다. ② 단점 ⓐ Feedback(Closed 제어방식 )이 필수적이므로 제어회로가 복잡하다. ⓑ 구형파 전류로 인해 저주파수에서 Torque 맥동이 발생한다. ⓒ 부하전류 Inverter(Load Commutated Inverter )이므로 전압 Spark가 크며, 따라서 전동기 동작에 영향을 미칠 수 있다. ⓓ 부하 Motor 설계시 누설 인덕턴스 문제와 회전자에서의 표피 효과를 고려 해야 한다 - 전압형 Inverter 전압형 Inverter는 현재 널리 사용되고 있는 Inverter로 전력형태는 그림과 같다. 교류전원을 사용할 경우에는 교류측 변환기 출력의 맥동을 줄이기 위하여 LC필터를 사용하는데 이를 Inverter측 에서 보면 저 Impedance 직류 전압원으로 볼 수 있으므로 전압형 Inverter라 한다. 제어방식이 PAM제어인 경우 Converter 에서 전압이 제어되고, Inverter부에서 주파수가 제어되며, PWM제어인 경우 Converter부에서 정류된 DC전압을 Inverter부에서 전압과 주파수를 동시에 제어한다. Y-TECH

8 Y-TECH Inverter 기초 교육 자료
작 성 일 2004/05/30 8/ 51 ① Converter 부 : SCR대신에 3상 Diode Module를 사용하여 교류전압을 직류로 정류 ② DC-Link 부 : DC-Link 내의 직류전압을 CB(평활용 콘덴서)를 이용하여 평활 ③ Inverter 부 :정류된 직류 전압을 PWM 제어방식을 이용하여 Inverter부에서 전압과 주파수를 동시에 제어 - 출력전류 및 전압파형 ① 전류파형 - 정현파 ( 전동기 부하인 경우 )/② 전압파형 - PWM 구형파 - 전압형 Inverter의 특징 ① 1, 2상한 운전만 가능하며, 4상한 운전이 필요한 경우에는 Dual Converter 를 사용 ② 전류 파형의 Peak치가 높으므로 주 소자와 변압기 용량이 필요 이상으로 커진다. ③ PWM 파형에 의해 Inverter와 Motor간에 역률 개선용 진상콘덴서 및 서지 Absorber를 부착 하지 말 것. ④ Inverter의 주 소자를 Turn-Off 시간이 짧은 IGBT, FET 및 Transistor을 사용 한다. ⑤ Inverter 출력주파수 범위가 광범위 Y-TECH

9 Y-TECH Inverter 기초 교육 자료
작 성 일 2004/05/30 9/ 51 - 전압형 Inverter의 장.단점 ① 장점 ⓐ 모든 부하에서 정류(Commutation)가 확실하다. ⓑ 속도제어 범위가 1 : 10 까지 확실하다. ⓒ Inverter 계통의 효율이 매우 높다. ⓓ 제어회로 및 이론이 비교적 간단하다. ② 단점 ⓐ 유도성 부하만을 사용할 수 있다. ⓑ Regeneration을 하려면 Dual Converter가 필요 ⓒ 스위칭 소자 및 출력 변압기의 이용률이 낮음 ⓓ 전동기가 과열되는 등 전동기의 수명이 짧음 ⓔ dv/dt Protection이 필요 Y-TECH

10 M Y-TECH Inverter 기초 교육 자료 Converter Inverter Voltage Control
작 성 일 2004/05/30 10/ 51 2) 스위칭 방식에 의한 분류 - PAM(Pulse Amplitude Modulation) 제어 PAM 제어는 Converter 부에서 AC전압을 DC전압으로 변환시 Diode Module 대신 SCR Module을 사용하여 위상 제어기법으로 직류전압을 제어하고, 동시에 Inverter 부에서 주파수를 제어하는 방식이다 Converter Inverter - 스위칭 주파수가 낮아 모터 소음이 작고 효율이 좋다. - 저속시 제어가 매우 복잡 M Voltage Control Frequency Control Controller Y-TECH

11 Y-TECH Inverter 기초 교육 자료
작 성 일 2004/05/30 11/ 51 - PWM(Pulse Width Modulation) 제어 Converter Inverter 제어가 간단하고, 저가격으로 구성이 용이 - 고주파 스위칭에 의한 모터 소음 크다 - 가청주파수(10~20kHz)이상의 스위칭에 의한 모터 소음 개선 Voltage Control Frequency Control Controller PWM 제어는 Converter 부에서 Diode Module을 이용하여 AC전압을 DC전압으로 정류시켜 콘덴서로 평활시킨 다음, Inverter부에서 직류전압을 Chopping 하여 펄스 폭을 변화시켜서 Inverter 출력전압을 변화시키며, 동시에 주파수를 제어하는 방식이다. 펄스 폭이 1/2주기에 있어서 같은 간격인 등 펄스 폭 제어와 중앙부에서 양단으로 좁아지는 부등 펄스 폭 제어가 있다. Y-TECH

12 2. 인버터 구성품의 설계 Y-TECH Inverter 기초 교육 자료 ■ Diode Module
작 성 일 2004/05/30 12/ 51 2. 인버터 구성품의 설계 ■ Diode Module 1) Diode Module 1 LEG로 흐르는 전류   2) Diode Module 의 내압 VRRM = √2 2 440 1.1 = 1369 단, 전압 RIPPLE율 : 110%, 순시 최대값 : √2 , 과전압 내량 : 200% 이다. 그러므로 VRRM =1369 V 이상의 값이 필요하다 예) 5.5KW (9KVA) Inverter Diode Module 선정방법 I DIODE = (9000)/(√3 440 0.82) = 14.4 A I DIODE = 14.4 Ⅹ1.5 = 21.6 A (SKD 25/16 Diode Module 사용) 예) 55KW (85KVA) Inverter Diode Module 선정방법 I DIODE = (85000)/(√3 440 0.82) = 136 A I DIODE = 136 Ⅹ1.5 = 204 A 2 Module Diode를 사용하는 경우 1 ARM당 흐르는 전류는 204/3 = 68A (SKD 81/16 Diode Module 3EA 사용) P = √3  V  I DIODE  cos   이고 I DIODE = P/ √3  V  cos   이다. Diode로 흘러 들어가는 전류는 I DIODE 이므로, Diode Module 결정시 허용전류의 150% 과부하 내량을 고려해야 되므로 - 6 Module 사용시 : I DIODE = I DIODE 1.5 ( 6 Module Diode 160A Max.) - 2 Module 사용시 : I DIODE = I DIODE  1.5, - I LOAD / 3 = 1 ARM 에 걸리는 전류이다. + - 1 LEG에 흐르는 전류 Y-TECH

13 예) VS-G7 Inverter Y-TECH Inverter 기초 교육 자료 CIMR-G7A40P4 – 4015TYpe
작 성 일 2004/05/30 13/ 51 예) VS-G7 Inverter B1 B2 +1 MC R/L1 U/T1 V/T2 S/L2 W/T3 T/L3 - CIMR-G7A40P4 – 4015TYpe 전원 제어회로 M +3 MC +1 R/L1 U/T1 S/L2 V/T2 CIMR-G7A4018 – 4045TYpe T/L3 W/T3 R1/L11 S1/L21 T1/L31 - 전원 제어회로 M Y-TECH

14 Y-TECH Inverter 기초 교육 자료
작 성 일 2004/05/30 14/ 51 ■ Thyristor & Diode Module 1) Thyristor & Diode Module 1 LEG로 흐르는 전류   2) Thyristor + Diode Module 의 내압 VRRM = √2 2 440 1.1 = 1369 단, 전압 RIPPLE율 : 110%, 순시 최대값 : √2 , 과전압 내량 : 200% 이다. 그러므로 VRRM =1369 V 이상의 값이 필요하다 예) 200 kW(308kVA) Thyristor & Diode Module 선정하는 방법 I DIODE = (3081000)/(√3 440 0.82) = 492.8A I DIODE = 1.5 =739.2A 739.2 ÷ 3 = 246.4A 따라서 SKKH 250/16E Thyristor & Diode Module 3EA 사용 P = √3  V  I DIODE  cos   이고 I DIODE = P/ √3  V  cos   이다. Diode로 흘러 들어가는 전류는 I DIODE 이므로, Diode Module 결정시 허용전류의 150% 과부하 내량을 고려해야 되므로 - 2 Module 사용시 : I DIODE = I DIODE  1.5, - I LOAD / 3 = 1 ARM 에 걸리는 전류이다. + - Y-TECH

15 Y-TECH Inverter 기초 교육 자료
작 성 일 2004/05/30 15/ 51 ■ IGBT Module 1) Diode Module 1 LEG로 흐르는 전류 2) IGBT Module 의 내압 기본적으로 IGBT의 내압은 Inverter 사용 시 DC LINK 전압의 2배 정도인 1200V (AC 440V 일 경우) CLASS를 사용한다.   예1) 5.5 KW (9KVA) 인버터 IGBT 소자 선정 방법 I = 9000/(√3 440) = 11.8 A I MAX = 11.8 2 1.2  √2 = 40 A I MAX = 40 A 이므로 SKM 40GD 121D 소자 1 EA 사용 예2) 55 KW (85KVA) 인버터 IGBT 소자 선정 방법 I = 85000/ (√3 440) = 111 A I MAX = 111 2 1.2  √2 = 367 A I MAX = 367 A 이므로 FF 400R 12KF 1 소자 1EA 사용 1 LEG 1 LEG에 흐르는 전류 IGBT 1 LEG에 흐르는 전류 P = √3  V  I 그러므로 Inverter의 입력전압이 440V 일 때 IGBT 1 LEG로 흐르는 전류는 I = P/ (√3  440)가 된다. 이때 실제 필요로 하는 값은 정격전류의 값에 과전류 내량 과 순시 최대값, 그리고 전류 Ripple 값을 고려해서 IGBT 를 선정하여야 한다. 필요로 하는 IMAX 는 다음의 조건을 모두 수용하여야 한다. IMAX = Rate Current  2  √2  1.2 단, 과전류 내량 : 200%, 순시 최대값 : , 전류 Ripple : 120%일 경우 이다. 따라서 IMAX 이상의 소자를 사용한다. Y-TECH

16 Y-TECH Inverter 기초 교육 자료
작 성 일 2004/05/30 16/ 51 ■ Condenser 용량 선정 평활용 Condenser는 입력전압이 최소일 때, 최대의 부하가 걸려도 DC 전압이 저전압 검출 Level 이하가 되지 않도록 선정해야 한다. 입력 전압이 최소 일 때 정류된 DC Line의 전압은 다음 식으로 표현할 수 있다. VMAX = √2 ×VINPUT(MIN)    정상 동작을 위한 DC Line의 최소 전압 VMIN 은 Inverter의 사양에서 규정하는 저전압 Level (440V급 Inverter의 경우 약 540VDC) 보다는 커야 하며 보통 VMAX의 90% 정도로 산정한다. VMIN = 0.9 ×VMAX = 0.9 ×√2 × VINPUT(MIN) > DC Line Under Voltage Level DC Line Capacitors 계산 방법 - VAC : Line 입력전압 - VMOTOR : Motor 출력 전압 - ILINE : Line 입력 전류 - IMOTOR : Motor 출력 전류 - F : Line 주파수 (50 또는 60 Hz)   uk : ≥ 0.04 For B6U Rectifier - uk : ≥ 0.15 ~ 0.20 FOR B6CI (IGBT) Rectifier - Lk : Line 인덕턴스, 최소값   c1 : 60㎌ ~ 80㎌ / Motor 전류 (일반적인 값) - C1 : Capacitor 용량 - Np : No. of Capacitor Series - Nc : Capacitor 수량 예) 110kW (180kVA) Inverter Capacitor 선정방법 VAC : 440[V], VMOTOR : 440[V], F : 60Hz, uk : 0.04 c1 : 80[㎌], C1 : 2200[㎌], C1 : 3300[㎌], Np : 2 IMOTOR = (1.5P)/√3×VAC = (1.5110000) / √3440=216.5A IMOTOR = 216.5A ILINE = (110000)/√3440 0.75 =192.4A ILINE = 192.4A Lk = (VAC/√3uk)/(ω ILINE) = (440/√3 0.04)/ 377  = 0.14mH (최소값) Line Inductance >0.14mH ω = 2πf = 377 Ceqv = c1 IMOTOR = 80 10-6216.5 = Nc = Np2 Ceqv/C1 = 22  /3300 ×10-6 = 20.9 3300㎌를 사용할 경우 22EA, 6800㎌를 사용할 경우 10EA 가 필요하다. 내압은 400V, 450V급으로 사용한다. Y-TECH

17 Y-TECH Inverter 기초 교육 자료
작 성 일 2004/05/30 17/ 51 ■ 분압 저항 용량 선정 Inverter가 OFF되면 평활 콘덴서에 충전된 전압을 통해서 방전 시킬 필요가 있다. 2개의 평활 콘덴서에 병렬로 접속된 저항값은 45㏀을 사용한 경우 이때 저항값에 반비례 하므로 저항의 용량 을 결정하는데 2개의 저항중 1개에 흐르는 전류는 DC Link단의 전압값이 600V 이므로 1개의 방전저항을 통해서 흐르는 전류는 IR = DC Link전압/저항값 = 300 / (451000) = 6.66[mA] 이고 IRMAX = 400 / (451000) = 8.88 [mA] 가 최대 흐를 수 있는 전류는 이다. 따라서 방전저항의 용량은 P = I2  R 이므로, P = (8.88 ×10-3) 2  = 3.55[W] 이다. 1개의 콘덴서에 연결된 저항을 통해서 방전되는 시간은 T = 0.7 ×R ×C 이므로 T = 0.7(45 103 )(3300 10-6) = [sec] 정도가 소요된다. Inverter가 Off되어 평활 콘덴서에 충전된 전압을 방전 시킬 때 시간이 길어진다는 단점은 있으나 저항의 발열은 45[℃] 이내로 사용 하기 위해서 15[W]로 선정한다. 용량은 45[㏀] , 15[W] (무유도 저항 ) Y-TECH

18 Y-TECH Inverter 기초 교육 자료
작 성 일 2004/05/30 18/ 51 ■ Inverter의 용량 선정 - Inverter 용량 선정시 주의사항 부하의 특성은? 용도 어떤 운전인가? 마찰 부하 유체 부하 •부하의 종류 관성 부하 전력의 전달 및 축적을 포함하는 부하 정 Torque 속도-Torque 특성 시간 정격 과부하 내량 시동 Torque 정 출력 •부하의 종류 체감 Torque 정격 출력 운전 방식 회전수 체감 출력 전동 부하 제어 방식 제동 부하 Over Rolling 부하 일정 부하 •부하의 성질 충격 부하 반복 부하 고 시동 Torque 저 시동 Torque •연속 운전 •연속 이나 저속의 장시간 운전 •단시간 운전 정격 출력 과부하 내량 운전 방식 효율, 역률 제어 방식 Y-TECH

19 Y-TECH Inverter 기초 교육 자료
작 성 일 2004/05/30 19/ 51 정격 출력이란? 정격 회전수는? 속도 제어범위는? 제어 정밀도는 어느 정도인가? 제동 방법은? 전원은? •최고 속도 출력 •정격 출력 정격 출력 •최고 회전수 •정격 회전수 회전수 속도 제어 범위 전류, Torque 제어범위 제어 방식 •변속 범위 부하 변동 제어 정밀도 속도-Torque 특성 운전 방식 •속도 변동률 응답 전류 전압 변동 주파수 변동 온도 변화 제어 방식 •Dynamic Brake •회생 제동 •플러킹 속도-Torque 특성 운전 방식 제어 방식 •전원 변압기 용량 •전압 •상수 •주파수 전원 효율, 역률 Y-TECH

20 Y-TECH Inverter 기초 교육 자료
작 성 일 2004/05/30 20/ 51 ■ Inverter의 용량 선정 - 연속 운전에 필요한 Inverter 용량 PC1 = ≤ Inverter 용량 [kVA]  PM  NT COS PC2 = 1.05√3  VM  IM · N  103 ≤ Inverter 용량 [kVA] IC =   NT  IM ≤ Inverter 정격전류 [A] PM : 부하에 요구되는 Motor의 축출력[kW] NT : 병렬 Motor 전체대수  : Motor 효율(0.85) COS : Motor 역률 (0.75) VM : Motor 전압 [V] IM : Motor 전류[A] (상용 전원시 Motor 전류)  : 파형에 의한 보정 계수 (PWM 방식에 의해 1.05~1.1) IC : Inverter 전 출력전류 - 시동시에 필요한 Inverter 용량 PS = TL+( ) 0.1047N NT JN N : 정격회전속도[r/min] J : Motor 축 환산 관성 모멘트[kg.m2] TL : 부하 Torque[N.m] COS : Motor 역률 NT : 병렬 Motor 전체대수  : 파형에 의한 보정 계수 (PWM 방식에 의해 1.05~1.1) TA : 가속시간 [S]------> 부하에 요구되는 시간 COS 9.55TA Y-TECH

21 Y-TECH Inverter 기초 교육 자료
작 성 일 2004/05/30 21/ 51 - Group Drive시에 필요한 Inverter 용량 PC1 = [NT +NS(KS –1)]   PM = PC1[ (KS –1)] COS NS IS = NT  IM [ (KS –1)] NT NT NS ※ Motor의 가속시간이 1분간 이내인 경우 (과부하 내량 150% 1분간인 경우 PS ≤ 1.5 × (Inverter 용량) [kVA] PS ≤ (Inverter 정격전류) [A] ※ Motor의 가속시간이 1분간 이상인 경우 (과부하 내량 150% 1분간인 경우) PS ≤ (Inverter 용량) [kVA] PM : 부하에 요구되는 Motor의 축출력[kW] NT : 병렬 Motor 전체대수 NS : 동시의 시동대수  : Motor 효율 통상 0.85 COS : Motor 역률 통상 0.75 IM : Motor 정격전류[A] (상용 전원시 Motor 전류)  : 파형에 의한 보정 계수 (PWM 방식에 의해 1.05~1.1) IS : 시동시에 요구되는 Inverter 용량 [A] PS : 시동시에 요구되는 Inverter 용량 [kVA] PC1 : 연속용량 Motor [kVA] KS : 시동전류/Motor 정격전류 Y-TECH

22 Y-TECH Inverter 기초 교육 자료
작 성 일 2004/05/30 22/ 51 - 권취 제어(회전 운동의 경우)의 Motor 공식 1) Motor 출력과 Torque, 장력의 관계 M i P[kW] N[rpm] Tm[kg-m] VL[mpm] Td[kg-m] n[rpm] TS[kg] D P : Motor 출력 [kW] N : Motor 정격 회전수[rpm] Tm : Motor 정격 Torque[kg-m] TS : Tension[kg] VL : Line Top Speed[mpm] Td : Roll Torque[kg-m] D : Roll Diameter 그림에 있어 Line의 Top 속도 VL, 장력 TS등의 사이에는 다음의 관계가 있다. P[kW] = P[W]  103 =  (2 / 60)  N  Tm  103 이식에서 Torque의 식으로 고치면 Tm =  =  Motor의 정격 Torque Tm[kg-m] = (1) 103 P P 9.807  (2 / 60) N N 974  P[kW] N[rpm] Y-TECH

23 Y-TECH Inverter 기초 교육 자료
작 성 일 2004/05/30 23/ 51 그런데 n = VL /  D 이므로 Tm =  i =  = (1)로 부터 P[kW] = =  = 여기서 2  974 ≒ 2  = 60  102 = 6120 이므로 P = P[kW] = (2) (2)식을 다시 쓰면 TS[kg] = 여기서 기계 효율 을 고려하면 다음과 같이 된다. Tension Reel의 경우 TS[kg] =   (3) Pay Off Reel의 경우 TS[kg] =  (4) TS  D TS  D n TS  VL 2 2 N 2 N Tm  N TS  VL N TS  VL 974 2  N 974 2  974 60  103 9.807  2 TS  VL 60  102 TS [kg] VL[mpm] 6120 6120  P[kW] VL[mpm] 6120  P[kW] VL[mpm] 6120  P[kW] 1 VL[mpm]  Y-TECH

24 Y-TECH Inverter 기초 교육 자료
작 성 일 2004/05/30 24/ 51 2) 물체의 가속 Torque Motor로 구동되는 부하가 어느 속도를 유지하기 위해서는 Motor 로 부터 그 속도에 있어서 기계적 에너지와 손실에 걸맞은 토오크를 공급해야 한다. 이것을 그 속도에 있어서 부하 Torque라 하며 이 부하 Torque와 Motor 발생 Torque에 의한 관성계의 운동방정식은 다음과 같다. 관성 Moment를 J라고 하면 GD2 = 4  J[kg-m] 가속 Torque T =   =  = 2   =   =   그러므로 T[kg-m] =  (5) 식 (5)에서 다음의 관계가 유도된다. T = 0의 경우 : 속도 N은 일정하계 유지된다. T  > 0인 경우 : 속도 N은 상승한다. T  < 0인 경우 : 속도 N은 하강한다. 이것은 다음 그림에 있어서 Motor의 회전속도는 곡선 TM과 TL의 교점 A에서 조정하는 것을 의미한다. 또 이점에서 가속 또는 감속 시키기 위해서는 TM을 조작하여 T  를 정 또는 부의 값으로 해야 할 필요성을 알 수 있다. 결국 Motor의 회전속도를 제어하기 위해서는 Motor의 발생 Torque TM을 제어 할 기능이 필요하게 된다. J J dw t dn T : 가속 Torque = TM –TL (kg-m) TM : Motor 발생 Torque (kg-m) TL : 부하 Torque (kg-m) GD2 : 물체의 관성을 수직화 한 것으로 무게와 지름의 2승에 비례(kg-m2) N : 회전속도(rpm) t : 시간(s) g : 중력가속도(9.8/s) g g dt g dt 2 J dN 60 g dt 2 GD2 dN 60 4g dt GD2[kg·m2] dN[rpm] 375 dt[sec] Y-TECH

25 Motor Torque와 부하 Torque
Y-TECH Inverter 기초 교육 자료 작 성 일 2004/05/30 25/ 51 토 오 크 TM A TL TM>0 T < 0 회전속도 Slip속도 Motor Torque와 부하 Torque 토 오 크 TM TL1 ΔTL A TL 회전속도 ΔN 부하 Torque 변동에 대한 회전속도 변동 Y-TECH

26 ∫ Y-TECH Inverter 기초 교육 자료 3) 가, 감속 시간
작 성 일 2004/05/30 26/ 51 3) 가, 감속 시간 Motor 속도가 Na 에서 Nb 에 도달 할 때까지 소요되는 시간은 앞장의 식(5)을 이용하면 t = (s) (6) 가속 Torque T를 공급하기 위하여 Inverter로 부터 Motor 발생 Torque TM이 제어된다. Slip 주파수 제어와 벡터 제어의 경우는 고속 전류 제한기능을 갖고 있기 때문에 속도지령(주파수지령)을 급격히 변화 시키면 스스로 전류를 허용치 이내로 제한 시키면서 발생되는 최대 Torque로 가, 감속을 실시한다. 한편 전압형 일반 Inverter의 V/F 제어의 경우에는 적극적으로 전류를 제한하는 기능이 부족하므로 발생 되는 회생 Torque의 크기도 적은 경우가 많으므로 가속시에는 주파수 지령의 상승률을 억제하여 과전류를 방지하고 감속시 에는 하강률을 억제하여 과전압을 방지 해야 한다. 따라서 Slip 주파수제어 이상의 Inverter에는 각속도에 있어서 가,감속 Torque T  가 구해지면 식(6)에 의해 가, 감속 시간을 계산 할 수 있고, 전압형 일반 Inverter의 경우에는 주파수 Reference의 상승, 하강률에서 가, 감속 시간을 결정한다. 4) 가, 감속 시간 설정 일반적으로 가속률은 주파수를 “0”에서 최고 주파수까지 변화 시키는데 걸리는 시간으로 설정한다. 감속률도 동일하게 주파수를 최고 주파수에서 “0”까지 변화 시키는데 걸리는 시간으로 설정한다. 가속시간은 가속전류를 Inverter의 과전류제한범위이하로 억제하여 과전류 실속방지회로가 동작하지않는 시간 내로 설정하는 것이 중요하다. 감속시간은 평활 회로부의 전압 과대 상승을 방지해야 하므로 정 Toque 부하와 2승 Torque 부하의 경우에 대하여 계산방법은 아래와 같다. 375 ∫ Nb GD2 Na T dN Y-TECH

27 Y-TECH Inverter 기초 교육 자료
작 성 일 2004/05/30 27/ 51 ① 정 Torque 부하의 경우 가,감속 Torque T가 어느 속도범위에 있다고 가정하면 그 범위에 있어서 식(6)을 이용하여 아래식을 구할 수 있다. ta (s) = tb (s) = TM(kg-m) = 가속 Torque 계수 α는 Inverter로 구동되는 Motor에 발생되는 최대 Torque의 평균치의 정격 Torque에 대한 비율 을 말하고, 회생 제동 계수 β는 Inverter와 Motor를 조합한 경우에 발생하는 제동 Torque의 평균치의 정격 Torque 에 대한 비율을 말한다. 안전한 영역 계산을 위하여 TLmax는 크게, TLmin는 작게 평가 해두는 것이 좋다. 375(Tm•-TLmax) (GD2M+GD2L) •(Nb-Na) Na : 가속전 또는 감속후의 회전속도[rpm] Nb : 가속후 또는 감속전의 회전속도[rpm] ta : Na에서 Nb로의 가속시간[s] tb : Nb에서 Na로의 감속시간 GD2M : Motor 축 관성 Moment[kg·m2] GD2L : 부하 관성 Moment[kg·m2] P0 : Motor 출력 [kW] N0 : Motor 정격 회전수[rpm] Tm : Motor 정격 Torque[kg-m] TLmax : 속도 제어 범위내 최대 부하 Torque[kg-m] TLmin : 속도 제어 범위내 최대 부하 Torque[kg-m]  : 가속 Torque 계수(0.8~1.2)  : 회생 제동 계수(0.2) 375(Tm•-TLmin) (GD2M+GD2L) •(Nb-Na) 974P0 N0 회 전 속 도 시간 Na Nb ta 감속시간 tb 가속시간 Y-TECH

28 Y-TECH Inverter 기초 교육 자료
작 성 일 2004/05/30 28/ 51 ② 2승 Torque 부하의 경우 Fan Pump등의 2승 Torque 부하의 경우에는 정 Torque 부하와는 다른점이 있다. 부하 Torque가 속도에 의해 큰 폭으로 변하기 때문에 넓은 속도범위를 평균적인 가,감속 Torque율만으로 계산하기 엔 무리가 있다. 이 경우에는 각 속도에 있어서 부하 Torque와 Motor 발생 Torque의 관계를 표시한 곡선에 따라 좀더 적은 가,감속 Torque를 구하여 계산식에 대입하고 이것을 만족하는 범위에서 설정 가능한 최소의 설정시간을 선택한다. ta (s) ≥ tb (s) ≥ 2승 Torque 부하의 경우에는 저속영역에서 Motor의 효율을 높이기 위하여 저감 여자의 V/F 패턴을 선정하는 경우 가 많다. Motor 발생 Torque의 곡선은 V/F 패턴의 선정법보다 많이 변하므로 가, 감속 Torque를 설정하는 경우에 주의해야 한다. ③ 계산하지 않고 설정하는 경우 가, 감속시간을 최대로 하고 서서히 줄이면서 가속시에 발생하는 과전류, 감속시에 발생하는 과전압에 걸리지 않는 최대의 시간을 찾아서 적용한다. ta : 설정 가속 시간[s] tb : 설정 감속 시간[s]] Nmax : Motor 최고 회전수[rpm] TAAmin : Motor 최저 가속 Torque[kg-m] TADmin : Motor 최저 감속 Torque[kg-m] 375TAAmin GD2Nbmax. 375TADmin Y-TECH

29 Y-TECH Inverter 기초 교육 자료
작 성 일 2004/05/30 29/ 51 - Motor의 정격용량, 회전수 Torque와 관련된 Simulation(예:포항 전기강판 HCL) Y-TECH

30 3. 인버터 주변기기 선정 Y-TECH Inverter 기초 교육 자료 ■ 변압기 용량 선정
작 성 일 2004/05/30 30/ 51 3. 인버터 주변기기 선정 ■ 변압기 용량 선정 Inverter용 변압기의 용량 선정은 Inverter의 용량, Inverter의 투입시에 유입되는 돌입전류와 그에 따르는 변압기 2차측의 전압강하를 고려해야 한다. 일반적으로 변압기의 용량은 Inverter의 용량의 1.5배 이상이 적당하다. - 용량산정 방법 (PWM 제어 Inverter) 변압기의 용량 = Inverter의 출력/(Inverter의 입력역률  Inverter의 효율)[kVA] • Inverter의 출력 : 적용 모터의 용량 합계[kW] • Inverter의 역률 : 0.6∼0.8 (Reactor 없음) 0.8∼0.85 (Reactor 있음) • Inverter의 효율 : 0.95   Inverter의 전원 투입시에는 이 콘덴서에 돌입전류가 유입되어 변압기의 2차측 전압이 일시적인 전압강하를 초래한다. 통상 이 현상을 억제하기 위해 Inverter 내부에는 돌입전류 억제저항(Pre-Charge Resistor)이 설치되어 있으며, 돌입전류는 Inverter 정격전류의 2∼3배 정도로 억제되고 있다. 변압기의 용량이 충분하지 않으면 전압강하 정도가 커서 Inverter의 부족전압(정격전압의 15[％]이상 강하시) 보호기능에 의해 Inverter가 Trip된다. 전원 투입시 전압강하가 10[％]이내가 되도록 설계해야 한다.   전압강하 △E = ％X  (n  Pi) / Pt[％] Pi : Inverter의 용량의 합계[kVA] Pt : 변압기의 용량[kVA] ％X: 변압기의 ％ 임피이던스 n : 전원 투입시의 전류 배수(정격전류의 2∼3배) 상위 두가지 식을 만족하는 변압기 용량을 산정해야 한다. Y-TECH

31 Y-TECH Inverter 기초 교육 자료
작 성 일 2004/05/30 31/ 51 ■ 차단기 용량 선정 - Inverter 사용할 때 : MCCB 용량 = 부하의 정격전류  (1.2∼1.3)배   Inverter 미사용 할 때 : MCCB 용량 = 부하의 정격전류  (2.0∼2.5)배   ■ 교류 Reactor(ACL) 용량 선정 교류 Reactor 의 설치 목적 ① 전원과의 협조 - 전원 용량이 600[kVA]이고, 전원용량이 Inverter 용량의 10배 이상인 경우 - 동일전원에 THYRISTOR를 On/Off하는 부하가 있을 경우 - 전원측 역률 조정용 콘덴서를 On/Off 제어하고 있는 경우 - 전원전압 3[％] 이상의 불평행이 있을 때 ② 역률의 개선 Inverter의 입력전류와 전압은 정현파가 아니고 변형되어 있기 때문에 입력 역률은 저하되고, 입력의 변형률은 전원 용량이 커질수록 높아진다. Inverter의 입력 역률의 개선은 입력 Reactor를 Inverter의 입력측에 설치하여 입력 전류의 변형을 작게 하는 것이 방법이 일반적이며 교류 Reactor의 선정은 전원 용량에 따라서도 다른데 일반적으로는 선간의 전압강하가 2∼5％의 값으로 되는 것을 선정한다. 전원 협조용 ACL 必要 不必要 4000kVA 600kVA 60kVA 400kVA INVERTER M 변압기 전 원 용 량 (kVA) Inverter 용량[kVA] Y-TECH

32 Y-TECH Inverter 기초 교육 자료
작 성 일 2004/05/30 32/ 51 ③ 고조파 대책 Inverter의 입력부는 Converter 회로로 구성되며 Converter 회로가 비선형 특성(스위칭 동작을 실시)인 것에 의해 고조파를 발생시킨다. 이 고조파는 입력전원의 전압파형 및 전류파형에 왜곡을 일으킨다 소형의 경우는 고조파 영향이 적으나 대형의 경우 또는 여러 대의 Inverter를 사용하는 경우는 고조파전류와 고조파 Noise즈 문제가 발생하므로 미리 방지대책을 강구해야 하며 그 일환으로 Inverter의 1차측에 교류 Reactor를 설치하여 고조파를 저감 시킨다. ④ 교류 Reactor 용량선정    전압강하 : Ed = 선간전압 전압강하(2∼5％ ) Ed = ωL  Irated = 2πf L  Irated 예) 440V의 3[％] 로 설계할 경우 Ed = 440  0.03 = 13.2[V] 인덕턴스 값 L = Ed / (2πf Irated) ■ 직류 Reactor (DCL) 정류된 DC전원 파형의 Ripple을 제거하기 위하여 사용하며 용량 선정법은 아래와 같다. - DC Link 전압에 포함된 360[Hz] Ripple 성분에 대해 전압강하(Vdrop)   △E = 입력전압  입력전압   Reactor 용량   L = △E / (2πf Idc) f : 주파수, Idc : DC Link 전류 차단기 용량 선정 Y-TECH

33 Y-TECH Inverter 기초 교육 자료
작 성 일 2004/05/30 33/ 51 ■ 제동 저항기의 용량 선정 Motor를 주파수로 감속하면 Motor 및 부하의 관성 에너지는 전기 에너지로 변환되어 Inverter측에 귀환한다. 이 귀환 에너지는 Inverter의 평활 콘덴서에 축적되어 전압이 상승된다. 귀환 에너지가 클 때에는 Inverter의 과전압 보호기능이 동작하여 Motor는 Free Run 상태로 되어 원하는 감속 시간을 얻을 수 없다. 이 귀환 에너지를 제동 저항기에서 열로서 소비 시킴으로서 과전압 보호기능 동작이 방지되어 Inverter의 감속능력이 높아진다. 제동 저항기의 용량은 다음과 같은 순서로 산출한다. 전력 Flow i R 상용 전원 열 i 기계적 에너지 + M 유도전동기 1) 제동 Torque TB [Nm] 산출 JM : MOTOR의 관성 모멘트 [kg.m2] JL : MOTOR 축의 환산 관성 모멘트 [kg.m2] N1 : 감속의 개시속도 [r/min] N2 : 감속의 완료속도 [r/min] TL : 부하 Torque[N.m] ts : 감속시간 [S] TB = TL (JM ＋ JL) (N1 – N2) 9.55ts Y-TECH

34 Y-TECH Inverter 기초 교육 자료
작 성 일 2004/05/30 34/ 51 2) 제동 저항기 산출 회생 제동시에는 Motor 내부의 손실중 약 20%가 제동 Torque로써 작용하므로 이것을 고려해 제동 저항값 ROB [Ω] 을 산출한다. VC : 직류회로 전압 [V] VC : 380[V] (200V급) VC : 760[V] (400V급) TB : 제동 Torque [N.m] TM : Motor의 개시속도 [r/min] N1 : 감속의 개시속도 [r/min] ROB = VC2 0.1047(TB –0.2TM )N1 앞에서 (TB –0.2TM ) < 0 이면 제동 저항기를 장착할 필요가 없다. 제동 저항기와 제동 소자로 구성되는 방전회로 에는 제동 소자의 허용전류 IC [A]가 회로의 허용전류가 된다. 따라서 회로에서 사용할 수 있는 제동 저항기의 최소값 RMIN [Ω]은 RMIN = VC /IC [Ω]이 되며 소요되는 제동 저항의 값 RB [Ω]는 RMIN < RB < ROB 의 조건에 의해 결정된다.   3) 제동시의 평균 소비전력 Pro[kW]산출 Pro = (TB-0.2TM) 10-3[kW] N1 + N2 2 4) 제동 저항기 정격전력 Pt [kW] 산출 반복감속의 유무에 따라 제동 저항기의 정격전력이 달라진다. 그림은 감속패턴을 나타낸 것이다. 그림에 의하여 얻은 전력 증가율 m과 제동시의 평균전력 Pro 에서 제동 저항기의 정격전력 Pt [kW] 를 구한다. Pr > Pro / m [kW] 이상으로 이와 같이 계산에 따라 얻어진 제동 저항값 ROB , 정격전력 Pt 에서 저항기를 설정한다.  Y-TECH

35 Y-TECH Inverter 기초 교육 자료
작 성 일 2004/05/30 35/ 51 회전수N [rpm] 회전수N [rpm] 사용률 D = ts/T N1 N1 N2 N2 시간t[s] 시간t[s] ts ts T (a) 반복 감속 (b) 비 반복 감속 감속 패턴 Y-TECH

36 4. 인버터 부하 특성 Y-TECH Inverter 기초 교육 자료 ■ 정 토오크 부하의 특성
작 성 일 2004/05/30 36/ 51 4. 인버터 부하 특성 ■ 정 토오크 부하의 특성 ▶ 속도에 대한 부하의 토오크 특성은 속도 변화에 관계없이 일정한 토오크 특성 ▶ 출력은 속도에 비례하여 속도가 내려가면 감소한다. ▶ Conveyor,Hoist Machine 압축기, 교정기, 왕복운동을 하는 펌프 등 (토오크가 속도에 대하여 거의 일정한 부하) ▶ Inverter의 V/F 변환 특성은 저주파 영역에서 토오크 부스트량을 올린 설정 (주파수에 대한 전압의 비율로 올린다) 에 맞추는 것으로 정토크 특성 ▶ 벡터제어(Sensor Less 벡터 제어)방식이 Inverter에서는 Inverter에 Motor 시정수(Motor 극수, 용량, 권선 저항 값 등)를 입력함으로써 V/F제어의 Inverter보다 저속 영역에서 정토오크 특성을 기대할 수 있다. ▶ Motor는 저속에서 고속(기저 주파수)까지 정토오크 운전을 하면 변속 범위 내에서 대체로 Motor의 정격 전류가 흐른다. 특히 저속영역에서 연속운전을 하면 Motor의 냉각효과가 저하되므로 Motor가 과열된다. 따라서 다음과 같은 적용상에 있어서 주의가 필요하다. * Inverter의 전용 Motor를 적용 * 강제 풍냉의 Motor를 적용 * 1등급 큰 용량의 표준 Motor를 적용 회전수(N) 출력 P : 속도에 비례 P α N 토오크 T : 일정 출력부하 정토오크 특성 Y-TECH

37 Y-TECH Inverter 기초 교육 자료
작 성 일 2004/05/30 37/ 51 ■ 제곱 저감 토오크 특성의 부하 ▷속도에 대한 부하의 토오크 특성은 속도의 제곱에 비례하여 변화. (토오크 속도의 부하를 제곱 저감 토오크 특성의 부하) ▶출력은 속도비의 3제곱에 비례 ▶ FAN, Pump, Blower를 대표로 하는 풍수력 기계는 제곱 저감 토오크 특성의 부하 ▶ 일반적으로 풍수력 기계는 정상운전 상태에서는 급격한 부하변동이 적다. 그리고 저속영역에서 부하 토오크가 작기 때문에 표준 Motor를 Inverter로 저속운전을 해도 Motor의 전류가 적어 Motor가 과열 되지 않으므로 비교적 용이하게 Inverter를 적용할 수 있다. ▶ FAN, Blower는 부하 GD²가 비교적 크므로 Inverter의 가,감속 시간을 약간 길게 설정 ▶ 펌프의 토출압을 일정하게 제어를 하고자 하는 경우는 실양정 과의 관계에서 설정압력의 하한이 결정 되므로 압력 설정의 하한에 상당 하는 Inverter의 하한 주파수나 공전에 의한 펌프의 파손을 보호하기 위해서도 하한 주파수 설정이 필요 또한 정격속도 이상으로 속도가 올라가면 출력은 3제곱으로 증가하여 Motor가 과부하로 됨과 동시에 Inverter도 정격용량을 초과하여 과부하 Trip이 되므로 상한 주파수 설정도 또한 필요 ▶ 제곱 저감 토오크 특성 부하에는 Inverter을 적용하여 가변속 운전으로서 필요한 풍량 , 유량을 제어하는 경우 속도를 20% 내리면 Motor출력은 100% 사용 시에 비하여 (0.8)³ = 0.51이 된다. 조절 밸브에 의한 제어에 비해 거의 1/2의 Motor 출력으로 되므로 대폭적인 에너지 절감이 가능 회전수(N) 출력 P : 속도의3제곱에 비례 P α N³ 토오크 T : 속도의 제곱에 비례 출력부하 제곱 저감 토오크 특성의 부하 Y-TECH

38 Y-TECH Inverter 기초 교육 자료
작 성 일 2004/05/30 38/ 51 ■ 정출력 특성의 부하 ▷속도에 대한 부하의 특성은 속도에 대하여 반비례로 변화하는 토오크 특성을 가진다. 출력은 속도에 관계없이 일정하다. 이와 같은 토오크 특성 부하를 정출력 특성의 부하 ▶권취기, 공작 기계등은 출력이 속도에 관계없는 일정한 정출력 부하다. ▶정출력 부하에는 기저속도(가령 60Hz) 이상에서 정출력 특성과 기저속도 이하에서의 정출력 특성 2가지 종류가 있다. 1) 그림 (a)와 같이 Motor의 출력 특성은 기저 속도 이상에서 정출력으로 되면 기저 주파수 이하에서는 속도 에 비례해서 감소한다. 2) 기계식 감속기를 Inverter로 사용하면 두번째 특성으로 되는 경우가 된다. 그림 (b)와 같이 30Hz 에서도 60Hz인 때와 같은 출력을 얻으려고 하면 Motor의 출력 특성상 기저주파수 에서는 2배 이상의 출력이 필요하게 되므로 Motor와 Inverter의 용량은 2배 이상 필요하게 된다.  회전수(N) 출력 P : 일정 토오크 T : 속도의 반비례 출력부하 정출력 특성의 부하 정출력 특성 부하에 요구되는 출력 MOTOR의 출력 60Hz(기저주파수) (a) 30Hz (b) Y-TECH

39 Y-TECH Inverter 기초 교육 자료
작 성 일 2004/05/30 39/ 51 ■ 4상한 특성의 부하 ▷ 크레인등으로 사용하는 하역운반기계,공작기계,Film Machine 등은 4상한 운전이 요구된다. 하역운반기계는 감아올리기,내리기를 하는 부하의 화물과 소요동력과의 관계는 그림과 같으며, Motor가 발생하는 힘이 + 일 때는 전력을 소비하여 위치 에너지로 되고, -일 때는 화물은 지구의 중력에 의해서 끌리므로 감아 내린 만큼의 위치 에너지를 Motor 및 제어용 Brake로 흡수할 필요가 있다. 따라서 4상한이 필요한 부하인 경우에 Motor와 Inverter 표준적으로 적용하면 운전이 잘 되지 않는다. 항상 부하 토오크 보다 큰 토오크를 출력하기 위해 충분한 여유가 있는 Motor와 Inverter 용량을 선정해야만 한다. ■ 관성이 큰 부하 ▷ 원심분리기나 Blower 등과 같이 관성이 큰 부하는 가속과 감속 정지의 시간을 길게 설정할 필요가 있다. Inverter의 가속 시간이 짧으면 설정된 가속시간에 Motor가 추종하지 못하고 Inverter 과전류 보호회로가 동작하여 Inverter 에서 Trip이 발생한다. 이와 같은 경우에는 가,감속 시간을 길게 함으로써 해결할 수 있다. 또한 Inverter는 가,감속 시간을 길게 하면 상대방 부하의 가, 감속시에 충격을 완화하여 기계의 수명을 연장 시키는 동시에 가, 감속시 Motor 전류를 Inverter의 과부하 내량 이내(Inverter 정격전류의 150% ~ 200% 이내) 로 억제 하기 때문에 전원 설비를 작게 할 수 있는 장점도 있다. M W 호이스트 정전회생(-) 중력 호이스트 정전회생(+) 감아내리기 역전회생(+) 감아내리기 역전회생(-) Y-TECH

40 Y-TECH Inverter 기초 교육 자료
작 성 일 2004/05/30 40/ 51 ■ 고속운전 부하 ▷ 목공기계, 공작기계, 섬유기계, 금속 가공기, 인쇄기계, 원심분리기, 진공펌프나 전자부품 가공기계에서는 Inverter로 주파수를 올려 Motor를 3600~30000 min­1로 운전하는 경우가 있다. 고속 Motor를 Inverter로 운전하면 Motor 전류 파형의 Strain이 커져 Motor의 과열, Inverter의 과전류 Trip이나 가속할 수 없는 등의 불량이 발생한다. 따라서 min­¹ 이상의 고속 Motor와 조합을 하는 경우에는 Inverter 출력측에 리액터을 접속하여 Motor 전류 Ripple을 저감 시키는 것이 필요하다. 또한, Inverter 용량은 표준적용에서 좀더 큰 것을 선정해야 한다. ■ 시동 토오크가 큰 부하 ▷ 압축기,하역운반기계,금속공작기계는 시동 토오크가 커야 한다. 또한 기계는 불균일이 생기지 않도록 큰 시동 토오크에서는 단시간 가속이 요구된다. 따라서 순시 전류 내량이 큰 Inverter가 필요하다. 일반적으로 시동 토오크는 Inverter와 표준 전동기를 조합 할 경우 70~110%가 된다.(전동기 용량은 수십 kW 이하) Inverter V/F 특성의 토오크 부스트량을 크게 하면 시동 토오크는 커진다. 그러나 너무 크면 저속영역에서 Motor는 과여자로 되어 진동,소음,과열,과전류의 원인이 되므로 부하에 맞게 적당한 토오크 부스트 설정이 필요하다.(정격전압의 10%가 적당) 이보다 더 큰 시동 토오크가 필요하다면 Motor의 극수를 올려 시동 토오크를 크게 하는 방법 (예를 들면 4 극에서 6극으로 변경한다. 최고 주파수는 90Hz로 변경 함으로써 4극과 같은 가변속 범위를 얻을 수 있다.) 이나 INVERTER 용량을 올려 과부하 내량을 크게 해서 토오크 부스트량을 높게 설정하여 시동 토오크을 크게 하는 방법이 있다. Y-TECH

41 Y-TECH Inverter 기초 교육 자료
작 성 일 2004/05/30 41/ 51 부하의 특성 대표적인 기계명 적용상 주의점 정토오크 특성 부하 - Conveyor - Hoist Machine - 압축기 - 교정기 - 저속영역 사용시 MOTOR 발열에 대한 고려 - Inverter 전용 Motor 적용이나 1~2등급 큰 용량의 Motor 선정 (벡터연산 제어, Sensor Less 벡터제어) 방식의 Inverter에서는 Motor 용량에 맞추고 한등급 위의 Inverter 용량을 선정 제곱 저감 토오크 특성의 부하 - Fan - Pump - Blower - GD²가 크고 가, 감속 시간을 약간 길게 설정 - 기계 보호 등을 위해 상한,하한 주파수 설정 정출력 특성의 부하 - 권취기 - 공작기계 - Inverter의 V/F 설정은 기저 주파수 이상에서 출력전압이 일정해 지도록 설정 4상한 운전부하 - 크레인 - Hoist - 엘리베이터 - 승강기의 충분한 토오크을 얻기 위해 Motor, Inverter 용량 증가에 대한 검토가 필요 (벡터 연산 제어, Sensor Less 벡터제어) 방식 에서는Motor 용량에 맞춘 Inverter 용량 또는 한등급 위의 Inverter 용량을 선정) - 회생시 부하에 맞는 제동 저항기가 필요 관성이 큰 부하 - 원심분리기 - 가, 감속 시간을 약간 길게 설정 - 감속시간을 단축하기 위해서는 제동저항기가 필요 고속운전 부하 - 목공기계 - 금속공작기계 - 섬유기계 - Motor 전류의 Strain에 의한 불량을 피하기 위해 Inverter 출력측에 Reactor 설치나 약간 큰 Inverter 선정 - 적용 Motor 허용 회전수 확인이 필요 시동 토오크가 큰 부하 - 충분한 시동 토오크을 얻기 위해 Motor 극수 변경 또는 Inverter 용량 증가 검토필요(벡터 연산 제어, Sensor Less 벡터제어) 방식에서는 Motor 용량에 맞춘 Inverter 용량 또는 한등급 위의 Inverter 용량을 선정 Y-TECH

42 5. 인버터 Option과 주변기기의 선정 Y-TECH Inverter 기초 교육 자료 목 적 명 칭 상세 설명
작 성 일 2004/05/30 42/ 51 5. 인버터 Option과 주변기기의 선정 목 적 명 칭 상세 설명 Inverter의 배선을 보호 배선용 차단기 또는 누전 Breaker -Inverter의 배선을 보호하기 위하여 전원측에 필히 설치 - 누전 Breaker는 고조파 대책품을 사용 제동 저항기를 붙일 경 우에 소손을 방지 전자 접촉기 - 제동 저항기를 붙일 경우에는 제동 저항기의 소손을 방지하기 위하여 설치 - 설치할 경우 Coil에 반드시 Surge Absorber을 부착 개, 폐 Surge를 외부에서 흡수 Surge Absorber - 전자 접촉기와 제어용 Relay의 개폐 Surge를 흡수 - Inverter 주변의 전자 접촉기와 Relay에는 반드시 취부 입, 출력 신호를 절연 Isolator - Inverter의 입출력 신호를 절연하도록 하여 유도 Noise 대책에 효과적으로 대응 Inverter의 입력 역률을 개선 직류 Reactor 교류 Reactor - Inverter 의 입력 역률 개선에 적용 - VS G7은 18.5kW 이상의 기종에 직류 Reactor을 내재 (15kW 이하는 Option) - 대전원 용량(600kVA 이상)에 사용하는 경우에는 직류 Reactor 또는 교류 Reactor를 설치 Noise에 의한 Radio와 제어기의 악영향을 저 입력측 Noise Filter - Inverter 전원 계통 주위에서 발생하거나, 배선에서 나오는 Noise 를 저감하며, 가능한 한 Inverter 가까이에 연결 Radio Noise 저감용 Finemez 영상 Reactor - Inverter 입력측 및 출력측의 어느쪽이라도 적용 출력측 Noise Filter - Inverter 출력 배선측에서 나오는 Noise를 저감하며, 가능한 한 Inverter 가까이에 연결 Y-TECH

43 Y-TECH Inverter 기초 교육 자료
작 성 일 2004/05/30 43/ 51 목 적 명 칭 상세 설명 기기를 설정 시간에 정지 제동 저항기 -Motor의 회생 에너지를 저항기에서 소비하여 감속시간을 단축 (사용율 3% ED) 제동 저항기 Unit (사용율 10% ED) 제동 Unit Motor의 감속 시간을 단축하는 경우에는 제동 저항기 Unit와의 전자 접촉기와 제어용 Relay의 개폐 Surge를 흡수 - Inverter 주변의 전자 접촉기와 Relay에는 반드시 취부 Inverter를 외부에서 운전 VS Operator (소형 Plastic Operator) -Remote Location(최대 50m)에서 Analog Reference로 주파수 설정 및 운전/정지 조작하는 조작반 - 주파수계 사양 : 60/120Hz, 90/180Hz (표준 Steel-plate - 주파수계 사양 : 75Hz, 150Hz, 220Hz Inverter를 System 제어 VS System module - 자동제어 System에 대하여 필요한 VS System Module을 조합 - 최적의 System을 구성하는 System 제어기 Inverter의 순시 정전 보상 시간을 확보 순시 정전 보상 Unit - 제어 전원의 순시 정전 대책용(Maintains Power 2sec) 외부에서 주파수와 전압을 설정, Monitor 주파수계 - 외부에서 주파수를 설정, Monitor 출력 전압계 - 외부로 출력 전압을 측정, PWM Inverter 전용 전압계 Y-TECH

44 6. Reactor의 응용 Y-TECH Inverter 기초 교육 자료 ■ AC Reactor 입력회로 응용 목 적 명 칭
작 성 일 2004/05/30 44/ 51 6. Reactor의 응용 ■ AC Reactor 입력회로 응용 목 적 명 칭 상세 설명 2개 이상의 Inverter가 동일전원에 접속 되어 있는 상태에서 다른 Inverter들이 운전중일 때 정지 중인 Inverter가 전원에 접속될 때 Transformer INV INV IM IM 과대전류 AC Reactor 전압왜곡 Transformer INV IM IM AC Reactor INV INV IM 전압왜곡(전압함몰)에 의해 과대전류가 흘러 Diode에 손상을 준다. AC Reactor 전원Transformer의 용량이 Inverter 용량에 비해 아주 클 때 (500kVA 이상의Transformer나 Inverter 용량의 10배 이상의 Transformer일 때) 소용량 Inverter 대용량 Transformer AC Reactor 대용량 Transformer INV IM IM 소용량Inverter 과대전류 4000 kVA 전압변동이 발생하면 과대전류가 흐르고 Diode에 손상을 준다. 전원 협조용Reactor 가 필요함 500 kVA 필요 없슴 13kVA 50kVA 400kVA Y-TECH

45 Y-TECH Inverter 기초 교육 자료
작 성 일 2004/05/30 45/ 51 목 적 명 칭 상세 설명 ` Inverter와 SCR Controller, DC Motor 제어장치와 같은 위상 제어장치가 같은 전원에 접속 되어 있을 때 Thyristor Controller Transformer Thyristor Controller Transformer DC DC AC Reactor IM 과대전류 INV IM 입력전류 AC Reactor INV 전압왜곡(전압함몰)에 의한 과대전류 때문에 Diode가 과열된다. 1. Inverter는 전류의 Peak치를 검출하여 전류를 제한한다. Peak치가 클 때(실효전류가 작더라도) 전류제한 기능이 동작한다. 2. Ripple 성분이 크면 기본파 성분이 작아지기 때문에 토오크는 작아진다 기동 토오크를 10~20% 증가 시키고 싶다. IM AC Reactor INV 기본파 성분이 증가하고 Ripple 성분이 감소하기 때문에 실효 전류값이 커진다 전자소음(일반적으로 30~70dB 의 소음이 발생된다.)을 저감 시키고 싶다. AC Reactor를 적용하면 5dB 정도 소음이 감소한다. Motor 전류는 약 5% 정도 고조파를 포함 하고 있으므로 권선과 Fan Cover에 소음 을 발생 시킨다. IM AC Reactor INV Y-TECH

46 Y-TECH Inverter 기초 교육 자료
작 성 일 2004/05/30 49/ 51 목 적 명 칭 상세 설명 범용 Motor에 비해 Motor 임피이던스가 작을 때 1. 고속 Motor 2. 최대적용 가능 Motor 용량보다 큰 Motor 3. 8극 이상의 Motor Motor 전류의 Ripple 성분이 증가 하기 때문에 1. 전류의 Peak 치가 크기 때문에 “OC” (Over Current) Trip이 생길 수 있다. 2. 전류제한 기능이 동작하여 출력 토오크가 작아 질 수 있다. 3. 토오크 효율이 감소한다. 4. MOTOR가 과열될 가능성이 있다 IM AC Reactor INV AC Reactor를 적용하면 임피이던스가 커져 범용 Motor와 같은 조건이 된다. Y-TECH

47 Y-TECH Inverter 기초 교육 자료
작 성 일 2004/05/30 47/ 51 ■ AC Reactor 출력회로 응용 목 적 명 칭 상세 설명 종합입력 역률을 높이기 위해 일반적으로 표준 PWM형의 종합 입력 역률은 0.7~0.75 이다. AC Reactor를 적용하면 0.8~0.85 가 된다. AC Reactor INV IM Transformer IM Transformer 소용량Inverter 과대전류 INV 입력전류파형 개선된 전류파형 입력전류에는 약 30%의 고조파가 함유되어 있다. AC Reactor를 적용하면 전류파형이 개선된다. 전원으로 전파되는 고조파 Noise(Radio Noise)를 저장하고 자 할 때 일반적으로 70~80dB의 고조파 Noise가 발생된다 AC Reactor를 적용하면 약 1dB 정도 감소된다. Inverter I N V Transformer IM IM 과대전류 콘덴서 High Frequency Noise Y-TECH

48 7. 주변기기 적용상의 주의(예:VS-G7, VS-676H5)
Y-TECH Inverter 기초 교육 자료 작 성 일 2004/05/30 48/ 51 7. 주변기기 적용상의 주의(예:VS-G7, VS-676H5) ■ 배선용 차단기의 설치와 선정 - Inverter의 전원측에는 배선 보호를 위하여 배선용 차단기(MCCB)를 설치 - MCCB의 선정은 Inverter의 전원측 역률(전원 전압, 출력 주파수, 부하의 변화) - 표준 설정은 Page 73을 참조 - 완전 전자형의 MCCB는 고조파 전류에 의해 동작 특성이 변화하므로 용량이 큰 MCCB의 선정은 필요 없음 - 누전 Breaker는 Inverter용(고조파 대책품)을 사용 ■ 전원측 전자접촉기의 적용 - Inverter에는 전원측에 전자 접촉기(MC)가 없이도 사용이 가능 - Remote 운전, 순시정전에 정전후, 복전하기 위하여, 자동 재시동하여 사고를 방지하기 위하여 전원측에 MC를 설치 할 수는 있으나 MC를 빈번하게 기동, 정지는 하지않도록 함(고장의 원인이 되며, 빈도는 30분에 1회) - Digital Operator 로 운전하는 동안 전원 회복후 자동으로 재기동, MC에 의한 가동이 불가능 - 제동 Unit와 제동 저항 Unit를 사용하는 경우에는 제동 저항기 Unit의 Thermal 접점으로 MC를 Off하는 Sequence 를 구성 ■ Motor 측 전자접촉기의 적용 - Motor와 Inverter 사이에 전자 접촉기를 설치하였을 경우에는 운전 중에는 On-Off을 하지 않음. (Inverter 운전중에 MC를 투입하면 큰 돌입전류가 흘러 Inverter에 과전류 보호장치가 동작) - 상용전원으로 전환하기 위하여 MC를 설치한다면 반드시 Inverter와 Motor를 정지한 후에 전환 - 회전중에 전환할 경우에는 속도 Search 기능을 선택 - 순시 정전대책으로 필요하여 MC를 적용할 경우에는 지연 석방형(遲延 釋放形) 을 사용 ■ Thermal Relay 설치 - Motor를 과열 사고로부터 보호하기 위하여 Inverter는 전자 Thermal로 보호 - 1대의 Inverter로 복수대의 Motor를 운전하는 경우와 다극 Motor 경우에는 Inverter와 Motor 사이에 열동형 Thermal Relay(THR)나 Thermal Protector를 설치 (제어 정수 No. L1-01(Motor 보호 기능선택)을 0(무효) 으로 설정) - 열동형 Thermal Relay나 Thermal Protector 설정은 50Hz 에서 Motor 명판치의 1.1, 60Hz에서는 1.1배) Y-TECH

49 Y-TECH Inverter 기초 교육 자료
작 성 일 2004/05/30 49/ 51 ■ 역률 개선(진상 Condenser 제거) - 역률 개선에는 직류 Reactor나 Inverter의 전원측에 교류 Reactor를 설치 (200V 급 18.5kW~110kW, 400V 급 18.5kW~300kW의 기종에는 직류 Reactor을 내재) - Inverter 출력측의 역률 개선용 Condenser 및 Surge Suppressor는 Inverter 출력의 고조파 성분에 인한 과열로 소손 - Inverter에 과열 전류가 흘러 과전류 보호가 동작 ■ 전파 장해에 대하여 - Inverter의 입출력(주회로) 에는 고조파 성분이 포함되어 있으므로 Inverter의 부근에서 사용하는 통신기기에 장해가 발생(Noise Filter를 설치하여 장해를 최소화) - Inverter와 Motor 사이 및 전원측의 배선을 금속배관선(금속관을 접지) ■ 전선의 길이와 배선거리 - Inverter와 Motor 사이의 배선거리가 길 경우(특히 저주파 출력시)에는 Cable의 전압강하로 인하여 Motor의 Torque가 낮아진다.(충분히 굵은 전선으로 배선) - Digital Operator 을 본체에서 멀리 취부하는 경우에는 반드시 전용 Cable(Option)을 사용 - Analog 신호로 Remote 조작하는 경우에는 Analog Operator 에서의 조작신호와 Inverter 사이의 거리는 50m 이내 - 고압선과 분리(주회로 혹은 Relay Sequence 회로)하여 주변 기기로부터의 유도를 감소 - 주파수 설정을 Digital Operator가 아닌 외부의 주파수 설정기로 주파수를 설정할 경우에는 그림과 같이 Shield 트위스트 선을 사용하며, Shield는 대지 Earth와 단자 E에 접속 P 0V 0~+10V 2㏀ RP AC 4~20mA Shield 피복선 접속용 단자 A3 다기능 Analog 입력 0~+10V(20㏀) A2 주속 지령 4~20mA(250) A1주속 지령 +V 속도 설정용 전원 +15V 20mA Y-TECH

50 8. DC Motor를 AC Motor 교체시 용량 계산
Y-TECH Inverter 기초 교육 자료 작 성 일 2004/05/30 50/51 8. DC Motor를 AC Motor 교체시 용량 계산 ■ Torque 특성 비교 - DC Motor와 AC Motor의 동일 용량에 준하여 Torque 특성을 비교하면 Torque A AC Motor Torque곡선 부하의 Torque곡선 DC Motor Torque곡선 C B Speed 상기의 Torque 곡선 그림에서 AC Motor의 부하는 AC Motor의 Torque 최대치(B)의 2/3 지점 즉 70[%]선에서 Full Load 상태로 운전이 가능하지만 부하의 Torque가 더욱 상승 될 경우 AC Motor의 기동 Torque의 최대치 (A)를 Over하면 기동이 되지 않는다. (DC Motor는 B 지점까지 Torque 여유가 있음) AC Motor를 DC Motor와 동일한 Torque 에서 사용 하려면 C 점을 B점과 같은 크기로 하여야 한다. 그림 1 B Torque AC Motor Torque곡선 C A DC Motor Torque곡선 그림 2 Speed Y-TECH

51 Y-TECH Inverter 기초 교육 자료
작 성 일 2004/05/30 51/51 ■ AC Motor의 용량 계산 그림 2 에서와 같이 AC Motor의 Torque를 끌어 올리기 위해서는 AC Motor의 용량을 증가시켜야 한다.  부하율을 고려하지 않을 경우 55kW DC Motor를 AC Motor로 교체할 경우 Pout(Motor 출력) = 55kW  0.9 = 49.5kW(기계적 효율 : 90%) TL(부하 Torque) = Pout  (1.027  N) = (49.5  1000)  (1.027 1750) = 27.5[kg.m] TM(Motor Torque) = TL / (Torque 저감률) = 27.5 / 0.7 = 39.3[kg.m]  AC Motor 용량 P =  TM  N P =  39.3  1750 = 70.6[kW]  부하율을 고려할 경우(부하률 70% 운전시) Pout(Motor 출력) = 55kW  0.9  0.7 = 34.7kW(기계적 효율 : 90%) TL(부하 Torque) = Pout  (1.027  N) = (34.7  1000)  (1.027 1750) = 19.3[kg.m] TM(Motor Torque) = TL / (Torque 저감률) = 19.3 / 0.7 = 27.6[kg.m] P =  27.6  1750 = 49.6[kW] Y-TECH