피드백 장치 공급업체는 자동 유도 전동기가 등장한 이후 교류 발전기가 이미 가변 주파수 운전 방식을 채택하고 있음을 알려드립니다. 발전기의 속도를 변경하고 출력 주파수를 조정하는 것입니다. 고속 트랜지스터가 등장하기 전에는 이것이 모터 속도를 변경하는 주요 방법 중 하나였습니다. 하지만 발전기 속도가 전압 대신 출력 주파수를 낮추기 때문에 주파수 변동이 제한적이었습니다.
그러므로 주파수 변환기의 구성 요소를 살펴보고 이들이 실제로 어떻게 함께 작동하여 주파수와 모터 속도를 변경하는지 살펴보겠습니다.
인버터 부품 - 정류기
AC 모드에서 AC 사인파의 주파수를 변경하는 것이 어렵기 때문에 주파수 변환기의 첫 번째 작업은 파형을 DC로 변환하는 것입니다. AC처럼 보이게 하려면 DC를 작동시키는 것이 비교적 쉽습니다. 모든 주파수 변환기의 첫 번째 구성 요소는 정류기 또는 변환기라고 하는 장치입니다. 주파수 변환기의 정류 회로는 교류를 직류로 변환하며, 작동 모드는 배터리 충전기 또는 아크 용접기의 작동 모드와 거의 같습니다. 다이오드 브리지를 사용하여 AC 사인파가 한 방향으로만 이동하지 않도록 제한합니다. 결과적으로 완전히 정류된 AC 파형은 DC 회로에서 로컬 DC 파형으로 해석됩니다. 3상 주파수 변환기는 세 개의 독립적인 AC 입력 위상을 수신하여 단일 DC 출력으로 변환합니다.
대부분의 3상 주파수 변환기는 단상(230V 또는 460V) 전원 공급도 수용할 수 있지만, 입력 분기가 두 개뿐이므로 생성된 직류 전류가 비례적으로 감소하므로 주파수 변환기의 출력(HP)을 감소시켜야 합니다. 반면, 진정한 단상 인버터(단상 모터를 제어하는 단상 인버터)는 단상 입력을 사용하여 입력에 비례하는 직류 출력을 생성합니다.
가변속 운전에서 3상 모터가 단상 카운터 부품보다 더 일반적으로 사용되는 데에는 두 가지 이유가 있습니다. 첫째, 출력 범위가 더 넓습니다. 반면, 단상 모터는 일반적으로 회전을 시작하려면 외부 개입이 필요합니다.
인버터 구성 요소 - DC 버스
DC 버스의 두 번째 구성 요소는 주파수 변환기의 작동에 직접적인 영향을 미치지 않으므로 어떤 주파수 변환기에서도 볼 수 없습니다. 하지만 고품질 범용 주파수 변환기에는 항상 존재합니다. DC 버스는 커패시터와 인덕터를 사용하여 변환된 DC 전력의 AC "리플" 전압을 필터링한 후 인버터 섹션으로 들어갑니다. 또한 고조파 왜곡을 방지하는 필터가 포함되어 있으며, 이 고조파 왜곡은 인버터 전원 공급 장치로 피드백될 수 있습니다. 구형 주파수 변환기는 이 과정을 완료하기 위해 별도의 라인 필터가 필요합니다.
인버터 구성 요소 - 인버터
그림의 오른쪽은 주파수 변환기의 "내부 기관"입니다. 인버터는 고속 스위칭 트랜지스터 세 세트를 사용하여 AC 사인파를 시뮬레이션하는 3상 DC "펄스"를 생성합니다. 이 펄스는 파동의 전압뿐만 아니라 주파수도 결정합니다. '인버터'라는 용어는 '역전'을 의미하며, 생성된 파형의 상하 운동을 의미합니다. 최신 주파수 변환기는 "펄스 폭 변조"(PWM)라는 기술을 사용하여 전압과 주파수를 조절합니다.
그럼 IGBT에 대해 이야기해 보겠습니다. IGBT는 "절연 게이트 바이폴라 트랜지스터"를 의미하며, 인버터의 스위칭(또는 펄스) 부품입니다. 트랜지스터는 진공관을 대체하여 전자 세계에서 두 가지 역할을 합니다. 증폭기처럼 작동하여 신호를 증폭하거나, 단순히 신호를 켜고 끄는 스위치 역할을 할 수 있습니다. IGBT는 더 높은 스위칭 속도(3000~16000Hz)를 제공하고 발열을 줄이는 최신 버전입니다. 스위칭 속도가 높을수록 AC 파형 시뮬레이션의 정확도가 향상되고 모터 소음도 감소합니다. 발열 감소는 방열판의 크기를 줄여 주파수 변환기의 면적을 줄이는 것을 의미합니다.
인버터 PWM 파형
PWM 인버터의 인버터에서 생성되는 파형을 실제 AC 사인파와 비교한 것입니다. 인버터 출력은 고정된 높이와 조정 가능한 폭을 가진 일련의 직사각형 펄스로 구성됩니다.
이 특정한 경우에는 펄스 세트가 세 개 있습니다. 즉, AC 사이클의 양수 및 음수 부분의 중간에 넓은 세트가 있고, 시작과 끝에 좁은 세트가 있습니다.
펄스 면적의 합은 실제 AC 파형의 유효 전압과 같습니다. 실제 통신 파형 위(또는 아래)의 펄스 부분을 잘라내고 곡선 아래의 빈 공간을 채우면 거의 완벽하게 일치함을 알 수 있습니다. 주파수 변환기는 바로 이러한 방식으로 모터의 전압을 제어할 수 있습니다. 펄스 폭과 그 사이의 빈 공간 폭의 합은 모터가 감지하는 파형의 주파수를 결정합니다(따라서 PWM 또는 펄스 폭 변조). 펄스가 연속적(즉, 빈 공간 없이)이면 주파수는 여전히 정확하지만 전압은 실제 AC 사인파보다 훨씬 커집니다.
필요한 전압과 주파수에 따라 주파수 변환기는 펄스의 높이와 폭, 그리고 두 펄스 사이의 공백 폭을 변경합니다. 어떤 사람들은 이 '가짜' AC(실제로는 DC)가 어떻게 AC 유도 전동기를 작동하는지 궁금해할 것입니다.
결국, 교류 전류가 모터 회전자에 전류와 그에 상응하는 자기장을 "유도"해야 할까요? 따라서 교류 전류는 끊임없이 방향이 변하기 때문에 자연스럽게 유도를 발생시키는 반면, 직류 전류는 회로가 활성화되면 정상적으로 작동하지 않습니다.
하지만 DC가 켜지고 꺼지면 전류를 감지할 수 있습니다. 나이가 드신 분들을 위해 말씀드리자면, 자동차 점화 시스템(고체 점화 시스템 이전)에는 배전기에 여러 개의 접점이 있었습니다. 이 접점들의 목적은 배터리 "펄스"를 코일(변압기)로 전달하는 것입니다. 이는 코일에 전하를 유도하고, 그 후 전압을 스파크 플러그가 점화될 수 있는 수준까지 높입니다. 위 그림에서 보이는 넓은 DC 펄스는 실제로 수백 개의 개별 펄스로 구성되어 있으며, 인버터 출력의 개폐 동작을 통해 DC 유도가 발생합니다.
유효 전압
교류를 복잡하게 만드는 한 가지 요인은 전압이 끊임없이 변한다는 것입니다. 0에서 최대 양전압까지, 다시 0으로, 다시 최대 음전압까지, 그리고 다시 0으로 돌아갑니다. 회로에 인가되는 실제 전압은 어떻게 구할 수 있을까요? 아래 그림은 60Hz, 120V 사인파입니다. 하지만 피크 전압이 170V라는 점에 유의해야 합니다. 실제 전압이 170V라면 어떻게 120V 파형이라고 할 수 있을까요?
교류 전류를 복잡하게 만드는 한 가지 요인은 전압이 끊임없이 변한다는 것입니다. 0에서 최대 양전압까지, 그리고 다시 0으로, 그리고 최대 음전압까지, 그리고 다시 0으로 변합니다. 회로에 인가되는 실제 전압을 어떻게 계산할까요?
60Hz, 120V 사인파는 피크 전압이 170V라는 점에 유의해야 합니다. 실제 전압이 170V라면 어떻게 120V 파형이라고 할 수 있을까요?
한 사이클에서는 0V에서 시작하여 170V까지 상승한 다음 다시 0으로 떨어집니다. 계속해서 -170V까지 떨어진 다음 다시 0으로 상승합니다. 120V의 상한을 갖는 녹색 사각형의 면적은 곡선의 양수 부분과 음수 부분의 면적의 합과 같습니다.
그렇다면 120V가 평균 전압인가요? 네, 전체 사이클 동안 각 지점의 전압 값을 평균하면 약 108V가 되므로 정답이 될 수 없습니다. 그렇다면 왜 이 값을 120V에서 VOM으로 측정하는 걸까요? 이는 '유효 전압'과 관련이 있습니다.
저항을 통해 흐르는 직류 전류에서 발생하는 열을 측정하면, 그 값이 등가 교류 전류에서 발생하는 열보다 크다는 것을 알 수 있습니다. 이는 교류가 전체 사이클 동안 일정한 값을 유지하지 않기 때문입니다. 실험실에서 제어된 조건 하에 전류를 흐르게 하면, 특정 직류 전류는 100도의 열을 발생시켜, 교류 전류에서 70.7도, 즉 직류 전류에서 70.7%의 열 증가를 초래합니다.
따라서 교류의 유효 전압은 직류의 70.7%입니다. 또한 교류 전압의 유효 전압은 곡선 전반부의 전압 제곱의 합의 제곱근과 같음을 알 수 있습니다. 피크 전압이 1이고 0도에서 180도까지의 다양한 전압을 측정해야 하는 경우, 유효 전압은 0도에서 707도 사이의 피크 전압이 됩니다. 그림에서 170도의 피크 전압에 0.707을 곱하면 120V가 됩니다. 이 유효 전압은 제곱 평균 제곱근 또는 RMS 전압이라고도 합니다.
따라서 피크 전압은 항상 유효 전압의 1.414입니다. 230V AC 전류는 피크 전압이 325V인 반면 460은 피크 전압이 650V입니다. 주파수 변화 외에도 전압이 AC 모터의 작동 속도와 무관하더라도 주파수 변환기는 전압도 변경해야 합니다. 두 개의 460V AC 사인파. 빨간색 곡선은 60Hz이고 파란색 곡선은 50Hz입니다. 둘 다 피크 전압이 650V이지만 50Hz가 훨씬 더 넓습니다. 50Hz 곡선의 전반부(0-10ms) 내 면적이 60Hz 곡선의 전반부(0-8.3ms)보다 크다는 것을 쉽게 알 수 있습니다. 또한 곡선 아래의 면적이 유효 전압에 정비례하므로 유효 전압이 더 높습니다. 주파수가 감소함에 따라 유효 전압의 증가가 더 심해집니다.
460V 모터를 이렇게 높은 전압에서 작동시키면 수명이 크게 단축될 수 있습니다. 따라서 주파수 변환기는 일정한 유효 전압을 유지하기 위해 주파수 대비 "피크" 전압을 지속적으로 변경해야 합니다. 작동 주파수가 낮을수록 피크 전압이 낮아지고, 그 반대의 경우도 마찬가지입니다. 이제 주파수 변환기의 작동 원리와 모터 속도 제어 방법을 잘 이해하셨을 것입니다. 대부분의 주파수 변환기는 사용자가 다중 위치 스위치나 키보드를 통해 모터 속도를 수동으로 설정하거나, 센서(압력, 유량, 온도, 수위 등)를 사용하여 프로세스를 자동화할 수 있도록 합니다.