주파수 변환기로 모터를 제어하는 ​​방법

주파수 변환기는 전기 작업을 할 때 반드시 숙지해야 하는 기술입니다. 주파수 변환기를 사용하여 모터를 제어하는 ​​것은 전기 제어에서 일반적인 방법이지만, 일부 방법은 주파수 변환기 사용에 대한 숙련도를 요구하기도 합니다.

1. 우선, 모터를 제어하기 위해 주파수 변환기를 사용하는 이유는 무엇입니까?

모터는 유도성 부하이므로 전류의 변화를 방해하고 시동 시 큰 전류 변화를 일으킵니다.

인버터는 전력 반도체 소자의 온-오프 기능을 이용하여 산업용 주파수 전원을 다른 주파수로 변환하는 전기 에너지 제어 장치입니다. 인버터는 주로 두 가지 회로로 구성되는데, 하나는 주 회로(정류 모듈, 전해 콘덴서, 인버터 모듈)이고 다른 하나는 제어 회로(스위칭 전원 공급기 보드, 제어 회로 보드)입니다.

모터, 특히 고출력 모터의 기동 전류를 줄이려면 출력이 높을수록 기동 전류도 높아야 합니다. 과도한 기동 전류는 전력 공급 및 배전망에 더 큰 부담을 줍니다. 주파수 변환기는 이러한 기동 문제를 해결하고 과도한 기동 전류 없이 모터가 원활하게 기동할 수 있도록 합니다.

주파수 변환기의 또 다른 기능은 모터 속도를 조절하는 것입니다. 많은 경우, 생산 효율 향상을 위해 모터 속도를 제어해야 하며, 주파수 변환기의 속도 조절은 항상 주파수 변환기의 가장 중요한 기능이었습니다. 주파수 변환기는 전원 공급 장치의 주파수를 변경하여 모터 속도를 제어합니다.

2.인버터 제어 방법은 무엇입니까?

가장 일반적으로 사용되는 인버터 제어 모터 방법 5가지는 다음과 같습니다.

A. 사인파 펄스 폭 변조(SPWM) 제어 방식

제어 회로 구조가 간단하고, 가격이 저렴하며, 기계적 강도가 우수하고, 일반 변속기의 원활한 속도 조절 요건을 충족하는 것이 특징입니다. 다양한 산업 분야에서 널리 사용되고 있습니다.

그러나 저주파에서는 출력 전압이 낮아 고정자 저항 전압 강하로 인해 토크가 크게 영향을 받아 최대 출력 토크가 감소합니다.

또한, 기계적 특성이 DC 모터만큼 강하지 않고, 동적 토크 용량 및 정적 속도 제어 성능이 만족스럽지 않습니다. 또한, 시스템 성능이 높지 않고, 제어 곡선이 부하에 따라 변화하며, 토크 응답이 느리고, 모터 토크 이용률이 높지 않으며, 고정자 저항 및 인버터 데드존 효과로 인해 저속에서 성능이 저하되고 안정성이 저하됩니다. 따라서 벡터 제어 가변 주파수 속도 제어에 대한 연구가 진행되어 왔습니다.

B. 전압 공간 벡터(SVPWM) 제어 방식

3상 파형의 전체적 생성 효과에 기초하고 있으며, 모터 공극의 이상적인 원형 회전 자기장 궤적에 접근하여 한 번에 3상 변조 파형을 생성하고 원에 근접하는 내접 다각형 방식으로 제어하는 ​​것이 목적입니다.

실제 사용 후 개선되었습니다. 즉, 속도 제어 오차를 제거하기 위해 주파수 보상을 도입하고, 저속에서 고정자 저항의 영향을 제거하기 위해 피드백을 통해 자속 진폭을 추정하며, 동적 정확도와 안정성을 향상시키기 위해 출력 전압 및 전류 루프를 닫았습니다. 그러나 제어 회로 링크가 많고 토크 조정이 도입되지 않아 시스템 성능이 근본적으로 향상되지는 않았습니다.

C. 벡터 제어(VC) 방법

핵심은 AC 모터를 DC 모터와 동등하게 만들고, 속도와 자기장을 독립적으로 제어하는 ​​것입니다. 회전자 자속을 제어함으로써 고정자 전류를 분해하여 토크와 자기장 성분을 얻고, 좌표 변환을 통해 직교 또는 분리 제어를 구현합니다. 벡터 제어 방식의 도입은 획기적인 의미를 지닙니다. 그러나 실제 응용 분야에서는 회전자 자속을 정확하게 관측하기 어렵고, 시스템 특성은 모터 파라미터의 영향을 크게 받으며, 등가 DC 모터 제어 과정에 사용되는 벡터 회전 변환은 비교적 복잡하여 실제 제어 효과를 통해 이상적인 해석 결과를 얻기 어렵습니다.

D. 직접 토크 제어(DTC) 방법

1985년 독일 루르 대학교의 드펜브록 교수는 직접 토크 제어 주파수 변환 기술을 최초로 제안했습니다. 이 기술은 앞서 언급한 벡터 제어의 단점을 크게 해결했으며, 새로운 제어 아이디어, 간결하고 명확한 시스템 구조, 그리고 뛰어난 동적 및 정적 성능을 바탕으로 빠르게 발전했습니다.

현재 이 기술은 전기 기관차의 고출력 AC 변속 견인에 성공적으로 적용되었습니다. 직접 토크 제어는 고정자 좌표계에서 AC 모터의 수학적 모델을 직접 해석하여 모터의 자속과 토크를 제어합니다. AC 모터를 DC 모터와 동일시할 필요가 없으므로 벡터 회전 변환에서 많은 복잡한 계산이 필요 없습니다. 또한 DC 모터 제어를 모방할 필요도 없고, 분리를 위해 AC 모터의 수학적 모델을 단순화할 필요도 없습니다.

E. 매트릭스 AC-AC 제어 방식

VVVF 주파수 변환, 벡터 제어 주파수 변환, 직접 토크 제어 주파수 변환은 모두 AC-DC-AC 주파수 변환의 한 유형입니다. 이러한 변환 방식의 공통적인 단점은 낮은 입력 역률, 큰 고조파 전류, DC 회로에 필요한 대용량 에너지 저장 커패시터, 그리고 회생 에너지를 전력망으로 되돌릴 수 없다는 점, 즉 4분면(quadrant)에서 작동할 수 없다는 점입니다.

이러한 이유로 매트릭스 AC-AC 주파수 변환이 탄생했습니다. 매트릭스 AC-AC 주파수 변환은 중간 직류 링크를 제거하므로 크고 값비싼 전해 커패시터가 필요 없습니다. 1의 역률과 정현파 입력 전류를 달성하고 4사분면으로 동작할 수 있으며, 시스템은 높은 전력 밀도를 갖습니다. 이 기술은 아직 성숙 단계에 이르지 않았지만, 많은 학자들의 심도 있는 연구를 이끌고 있습니다. 이 기술의 핵심은 전류, 자속 및 기타 물리량을 간접적으로 제어하는 ​​것이 아니라, 토크를 제어량으로 직접 사용하여 제어하는 ​​것입니다.

3. 주파수 변환기는 모터를 어떻게 제어하나요? 두 회로는 어떻게 연결되나요?

인버터를 배선하여 모터를 제어하는 ​​것은 접촉기 배선과 비슷하게 비교적 간단하며, 3개의 주전원선이 모터에 들어가고 나가지만, 설정이 더 복잡하고 인버터를 제어하는 ​​방식도 다릅니다.

먼저, 인버터 단자의 경우, 브랜드와 배선 방식이 다양하지만 대부분의 인버터 배선 단자는 크게 다르지 않습니다. 일반적으로 모터의 정방향 및 역방향 기동을 제어하는 ​​데 사용되는 정방향 및 역방향 스위치 입력 단자로 구분됩니다. 피드백 단자는 모터의 작동 상태를 피드백하는 데 사용됩니다.작동 주파수, 속도, 오류 상태 등을 포함합니다.

속도 설정 제어를 위해 일부 주파수 변환기는 전위차계를 사용하고, 일부는 버튼을 직접 사용하며, 모두 물리적 배선을 통해 제어됩니다. 또 다른 방법은 통신 네트워크를 사용하는 것입니다. 현재 많은 주파수 변환기가 통신 제어를 지원합니다. 통신 회선을 통해 모터의 시동 및 정지, 정회전 및 역회전, 속도 조정 등을 제어할 수 있습니다. 동시에 피드백 정보도 통신을 통해 전송됩니다.

4. 모터의 회전 속도(주파수)가 변하면 출력 토크는 어떻게 되나요?

주파수 변환기로 구동할 경우 시동 토크와 최대 토크는 전원 공급 장치로 직접 구동할 때보다 작습니다.

모터는 전원 공급 장치로 구동될 때 기동 및 가속에 큰 영향을 미치지만, 주파수 변환기로 구동될 때는 이러한 영향이 약해집니다. 전원 공급 장치로 직접 기동하면 큰 기동 전류가 발생합니다. 주파수 변환기를 사용하면 주파수 변환기의 출력 전압과 주파수가 모터에 점진적으로 더해지므로 모터 기동 전류와 영향이 줄어듭니다. 일반적으로 모터에서 발생하는 토크는 주파수가 낮아질수록(속도가 낮아질수록) 감소합니다. 감소에 대한 실제 데이터는 일부 주파수 변환기 설명서에서 설명합니다.

일반적인 모터는 50Hz 전압에 맞춰 설계 및 제작되며, 정격 토크 또한 이 전압 범위 내에서 제공됩니다. 따라서 정격 주파수 이하에서 속도 조절을 정토크 속도 조절이라고 합니다. (T=Te, P<=Pe)

주파수 변환기의 출력 주파수가 50Hz보다 클 경우, 모터에서 생성되는 토크는 주파수에 반비례하는 선형 관계로 감소합니다.

모터가 50Hz 이상의 주파수에서 작동하는 경우 모터 출력 토크가 충분하지 않게 되는 것을 방지하기 위해 모터 부하의 크기를 고려해야 합니다.

예를 들어, 100Hz에서 모터가 생성하는 토크는 50Hz에서 생성하는 토크의 약 1/2로 감소합니다.

따라서 정격 주파수 이상의 속도 조절을 일정 전력 속도 조절이라고 합니다. (P=Ue*Ie)

5. 50Hz 이상 주파수 변환기 적용

특정 모터의 경우 정격 전압과 정격 전류는 일정합니다.

예를 들어, 인버터와 모터의 정격 값이 모두 15kW/380V/30A이면 모터는 50Hz 이상에서 작동할 수 있습니다.

속도가 50Hz일 때 인버터의 출력 전압은 380V이고 전류는 30A입니다. 이때 출력 주파수를 60Hz로 높이면 인버터의 최대 출력 전압과 전류는 380V/30A가 됩니다. 당연히 출력 전력은 변하지 않으므로 이를 정전력 속도 조절이라고 합니다.

이때 토크는 어떻게 되나요?

P=wT(w; 각속도, T: 토크)이므로 P는 변하지 않고 w가 증가하므로 토크는 그에 따라 감소합니다.

다른 각도에서도 볼 수 있습니다.

모터의 고정자 전압은 U=E+I*R입니다. (I는 전류, R은 전자 저항, E는 유도 전위입니다.)

U와 I가 변하지 않을 때, E도 변하지 않는 것을 볼 수 있습니다.

그리고 E=k*f*X (k: 상수; f: 주파수; X: 자속)이므로 f가 50–>60Hz로 변하면 X는 그에 따라 감소합니다.

모터의 경우 T=K*I*X(K: 상수, I: 전류, X: 자속)이므로 토크 T는 자속 X가 감소함에 따라 감소합니다.

동시에, 50Hz 미만에서는 I*R이 매우 작기 때문에 U/f=E/f가 변하지 않을 때 자속(X)은 일정합니다. 토크 T는 전류에 비례합니다. 따라서 인버터의 과전류 용량은 일반적으로 과부하(토크) 용량을 나타내는 데 사용되며, 이를 정토크 속도 조절(정격 전류는 변하지 않고 최대 토크는 변하지 않음)이라고 합니다.

결론: 인버터의 출력 주파수가 50Hz 이상에서 증가하면 모터의 출력 토크는 감소합니다.

6. 출력 토크와 관련된 기타 요소

열 발생 및 열 방출 용량은 인버터의 출력 전류 용량을 결정하며, 이는 인버터의 출력 토크 용량에 영향을 미칩니다.

1. 캐리어 주파수: 인버터에 표시된 정격 전류는 일반적으로 가장 높은 캐리어 주파수와 가장 높은 주변 온도에서 연속 출력을 보장할 수 있는 값입니다. 캐리어 주파수를 낮추어도 모터 전류에는 영향을 미치지 않습니다. 그러나 부품의 발열은 감소합니다.

2. 주변 온도: 주변 온도가 비교적 낮게 감지되면 인버터 보호 전류 값이 증가하지 않습니다.

3. 고도: 고도 증가는 방열 및 단열 성능에 영향을 미칩니다. 일반적으로 1,000m 미만에서는 무시할 수 있으며, 1,000m 이상에서는 5%씩 용량이 감소합니다.

7. 모터를 제어하기 위한 주파수 변환기의 적절한 주파수는 무엇입니까?

위 요약에서 우리는 모터 제어에 인버터가 사용되는 이유와 인버터가 모터를 제어하는 ​​방식을 살펴보았습니다. 인버터는 모터를 제어하며, 이를 요약하면 다음과 같습니다.

첫째, 인버터는 모터의 시동 전압과 주파수를 제어하여 원활한 시동과 원활한 정지를 실현합니다.

두 번째, 인버터는 모터의 속도를 조절하는 데 사용되며, 주파수를 변경하여 모터 속도를 조절합니다.

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저작권: 본 기사는 WeChat 공개 번호 "기술 교육"을 재인쇄한 것입니다. 원본 링크는 https://mp.weixin.qq.com/s/eLgSvyLFTtslLF-m6wXMtA입니다.

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