추진제어장치의 기본 원리
1. 유도전동기 기본 원리
고정자, 회전자 모두 베어링안에 취부 되어져있고, 양방향으로 회전이 가능하다.
고정자에는 자석, 회전자에는 도체를 배치하였다.
고정자가 반시계 방향으로 회전수 Nsf 회전하면, 회전자 도체에 전자 유도 작용에 의해 기전력이 발행하며 유도전류 I와 자속 φ와의 전자력에 의해 회전자속도는 Nr로 그림중의 방향으로 회전함.
2. 구조
농형유도전동기 구조는 위의 그림을 참고하세요. 고정자의 회전자계를 발생시키는 3상권선이 있다. 회전자는 철심 안에 도체를 삽입하고, 각각의 도체의 양단을 단락환으로 브레이징한 구조로 되어 있기 때문에 도체와 철심간을 절연할 필요가 없으며, 단순하고 강한 구조로 되어있다.
3. 회전자계의 발생원리
원통형의 철심의 내면에 달린 SLOT 사이에 삼조의 COIL을 전기각 120°간격으로 배치하고 있다. (한상이 두 개의 코일로 이루어짐) 이들의 COIL은 각각 U,V,W상 권선이라하고, 삼상 교류전원을 흘리는 것으로 고정자에 회전자계가 발생한다.
4. 토크 발생의 원리
위의 그림과 같이, 고정자의 삼상권선이 만든 회전자계와, 회전자와의 상대운동에 의해 회전자 도체중에 전류가 유도되고, 이 유도전류와 회전자계에 의해 토크가 발생한다. 그림에 보이는것 같이 회전자계의 속도 Ns(동기속도라고 한다)쪽이 회전 자속도 Nr보다 큰 경우에 역행 토크, 반대로 Ns<Nr인 경우에는 제동토크가 생긴다.
5. 유도 전동기의 특성
가) 슬립, 슬립주파수, 슬립율 회전자의 회전 속도는 회전자계의 회전속도에 거의 추종하지만, 완전하게는 일치하지 않음. 이 일치하지 않는 부분을 슬립이라 부르고, 슬립은 유도전동기에서 대단히 중요한 제어요소가 된다.
나) 회전자의 회전방향 회전자는 고정자의 회전자계의 회전방향과 같은 방향으로 회전한다. 삼상중에서 두상의 상순을 교체하면 회전자계는 역방향으로 되고, 회전자는 역회전한다.
다) 토크 특성
전압및 전원주파수가 일정한 경우 위의그림과 같은 특성을 보인다.
유도전동기는 위의 그림처럼 동기속도를 중심으로 거의 대칭인 토크곡선을 가진다. 유도전동기의 기동시에는 시동 토크(a)가 발생하고 모터는 회전을 시작한다. 한편 부하 토크가 < 전동기 토크이면 가속하고, 토크도 증대된다. 전동기 토크는 전동기 속도의 상승에 따라 증가하지만. 극대점(정동 토크)이상으로 가속하면 급격히 감소한다. 정동 토크에서부터 동기속도 이상으로 가속하면 급격히 감소한다. 정동 토크에서부터 동기속도 간의 영역에서는, 부하 토크와 일치하는 토크에서 속도는 안정된다. 따라서 동기속도 까지 가속하면, 전동기 토크는 영으로 되고, 불안정한 상태로 된다. 유도전동기가 동기속도에서 회전하는 경우 외력이 없으면 속도는 감소하고 안정점의 반대로 되돌아간다. 동기속도 이상의 영역까지 가속하면, 제동토크가 발행하게 된다.
이상으로부터, 유도전동기의 속도제어에서는 전원주파수의 제어가 필요하게 된다. 단 전원 주파수가 증가하면 동기속도는 비례하여 증가하지만, 토크는 감소하는 경향이 있다. 이것에 대해서는 실용상 안전하게 사용할수 있는 영역은 정동토크-동기속도간이며, 슬립율 0~10%정도의 좁은범위에 한정되어있다. 그러므로 유동전동기의 속도제어에는 인버터출력전압과 전원주파수를 제어할 필요가 있는것을 알수 있다.
|
결과적으로 유도 전동기의속도제어는 전원전압, 전원주파수, 슬립주파수의 삼요소로 행해짐 | ||
|
전원전압 |
-> |
인버터 출력전압제어 |
|
전원주파수 |
-> |
인버터 주파수제어를 행한다 |
|
슬립주파수 |
-> |
인버터 주파수 제어 |
6. 유도전동기의 속도 토크 제어
유도전동기의 회전수는 일반적으로 위의 식에의해 결정된다. 즉, 회전수를 변화 시키는 데에는 전원주파수, 또는 극수를 바꾸어주면 좋은 것으로 된다. 그러나, 극수를 변경하는 것은 곤란하므로 일반적으로는 전원주파수를 가변한다. 따라서, 정 토크 제어를 행하기 위해서는 VM / finv 및 fdmf 일정하게 제어하면서 VM과finv를 상승시키면된다.
VVVF 인버터 기본원리
1. 개요
인버터는 인버터 제어회로 중 마이크로컴퓨터에 의해 IGBT의 ON, OFF 시기를 제어하여 직류전원을 교류로 변환하고, 전동기의 회전력을 가감하기 위해 전압 제어 및, 회전수를 가감하기위해 주파수 제어를 한다.
위의 그림과 같이 VVVF인버터와 유도전동기 계자 코일과의 관계를 나타낸 것이다. 3상 유도전동기에는 그림과 같이 상호간 120도 각도차를 갖는 계자 코일 U, V, W상이 있고 U상에는 IGBT 1을, V상에는 IGBT 3을, W상에는 IGBT 5를 경유하여 각각전원에 접속한다.
2. 전원을 직류에서 교류로 변환방법 - VVVF 인버터 사용
교류란 시간의 경과와 더불어 규칙적인 일정의 주기를 갖고서 전류의 크기 및 전류의 방향이 변하게 되는 것을 말한다. 위의 그림은 직류전원 E를 인버터에 가압 하여 각 스위치를 일정의 순서로 ON, OFF 하면 계자 U, V, W에 일정한 순서로 전류의 크기와 전류의 방향이 변하는 것을 나타낸다.
인버터 주파수가 삼각파 발생부에 입력되면 위의 그림에서 표시한것처럼 주파수 상당의 삼각파를 만들어 변조기에 보낸다. 한편 정 토크 제어를 위해서는 "V/F"가 일정하는 것이 절대 조건이므로, 인버터 주파수 대응의 변조율(변조폭)이 정현파 지력으로 되어 변조기에 입력된다. 변조기는 그 양 입력을 연산하여 IGBT의 ON, OFF하는 시기를 결정하는 것이다. 이러한 연산은 실제 마이크로 컴퓨터에서 수량적인 것이지만, 이해하기 쉽도록 삼각파라든가 정현파로 하여 그림 처럼 표현할수 있다. 인버터 주파수에 의해 삼각파를 결정하고 있는 경우, 변조율 1을 변화하면 그림에 표시 한것처럼 삼각파와 교점이 변화하여, 펄스폭을 변화시켜 출력전압을 제어 할 수 있는 것을 표시한 것이다.
주. 1. 반송 삼각파는 인버터 주파수 지력에 의해 정한다.
2. 변조 정현파는 변조율 지령에 의해 결정된다.
3. 변조율 I를 크게 하면 전압이 커지고 작게 하면 전압도 작아진다.
출처 : 울트라로코모