기획특집 인버터의제어방식과인버터적용시주의해야할특징 윤복래대표이사 / 아이에스비 1. 머리말무더위가기승을부리는요즘, 에너지수요가급증하고있는현실속에서인버터를적용하여에너지절감을해야하는것은우리엔지니어들의절대절명의사명감이라고생각이되오나, 인버터적용

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윤서 삼
5 years ago
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기획특집 윤복래대표이사 / 아이에스비 its007@empas.com 1. 머리말무더위가기승을부리는요즘, 에너지수요가급증하고있는현실속에서인버터를적용하여에너지절감을해야하는것은우리엔지니어들의절대절명의사명감이라고생각이되오나, 인버터적용을잘못하여수많은엔지니어분들이곤란에처하는경우가종종있다.

1 기획특집 윤복래대표이사 / 아이에스비 its007@empas.com 1. 머리말무더위가기승을부리는요즘, 에너지수요가급증하고있는현실속에서인버터를적용하여에너지절감을해야하는것은우리엔지니어들의절대절명의사명감이라고생각이되오나, 인버터적용을잘못하여수많은엔지니어분들이곤란에처하는경우가종종있다. 인버터적용시주의해야할부하에따른인버터제어방법고조파회생유니트서지전압대책과인버터적용시부하의특성에대하여기술하오니최적제어를통하여산업발전에기여할수있기를바란다. 2. 인버터제어기술인버터제어방법에는여러가지알고리즘이있으나, 대표적인제어방법은아래와같다. 1) V/F 제어 : 출력주파수를변화시킬때인버터출력전압을동시에제어함으로써전동기의자속을일 정하게유지하고광범위한가변속운전에대하여전동기의효율, 역률을저하시키지않도록제어하는방식이며, 출력전압 Voltage와주파수 Frequency 비를제어하는점에서 V/F 제어라고한다. 범용인버터 ( 팬, 펌프 ) 등에너지절약구동시스템은프로세스라인에적용되고있다. 2) 슬립주파수제어 : 전동기공극자속을일정하게유지하기위해 V/F 제어를하면서전동기의슬립주파수를제어하는기능을부가하면유도전동기의발생토크제어가가능하다. 전동기에 TG( 타코제네레이터 ) 등으로속도검출기를부착함으로써원하는토크제어와속도제어가가능한제어방식이다. 3) 센서드벡터제어 : 가장제어성이좋은제어방식으로유도전동기에급전되는 1차전류를계자로만드는계자분전류와직교해서토크를발생하는토크분전류를합성한 1차전류를전동기에공급하는동시에소정의계자분전류와토크분전류로분리시켜각각자유로이제어하는방식이다. G( 피드백제어 ) 98 계장기술

정밀도나고속응답이요구되는용도나극저속부터고속까지번번한급가감속이나 4상한운전이가능하며, 엘리베이터등에적합하다. 4) 센서리스벡터제어 : 벡터제어와같은알고리즘으로센서드벡터제어방식은전동기에 G( 펄스제네레이터 ) 를적용하여속도를검출하고 1차전류를연산하여제어하지만, 센서리스벡터제어방식을 G 없이 (Feedback) 부하속도를연산하여제어하는방식이다.

5 그림 2 1) 고조파의발생원인 Motor Starter (Soft-Starter) 인버터컴퓨터및다른전자장치. 특히인버터에서는주로 switching 동작을하는 converter 부분을말한다. 3. 고조파의영향과대책 기본파의정수배의주파수를가지는것을말한다. 고조파왜형은전력계통의부하와기기의비선형적인특성에의하여발생하는데, 일반적으로전력전자소자에서발생된다.

2 정밀도나고속응답이요구되는용도나극저속부터고속까지번번한급가감속이나 4상한운전이가능하며, 엘리베이터등에적합하다. 4) 센서리스벡터제어 : 벡터제어와같은알고리즘으로센서드벡터제어방식은전동기에 G( 펄스제네레이터 ) 를적용하여속도를검출하고 1차전류를연산하여제어하지만, 센서리스벡터제어방식을 G 없이 (Feedback) 부하속도를연산하여제어하는방식이다. 5) VVC lus 제어 : Voltage vector 제어라고하며, 출력 WM 파형을세밀하게초핑하여전압이용율을높이는방식으로정격속도에서정격전압출력이전동기정격에가깝게하는제어방식이다 st 0 5th 1st+5th 그림 2 1) 고조파의발생원인 Motor Starter (Soft-Starter) 인버터컴퓨터및다른전자장치. 특히인버터에서는주로 switching 동작을하는 converter 부분을말한다. 3. 고조파의영향과대책 기본파의정수배의주파수를가지는것을말한다. 고조파왜형은전력계통의부하와기기의비선형적인특성에의하여발생하는데, 일반적으로전력전자소자에서발생된다. ( 컨버터, 정류기, 인버터, MC 등 ) 변환장치 ( 정류기, 인버터등 ) 의고조파는내부전력소자에의해부하측의 DC-AC 변환시구형파가입력전에유입되어발생된다. Fundamental ure singwave lus 3rd harmonic Equals harmonically Destorted Wareform 그림 1 2) 고조파의발생 Factor The Cause The Effect 모터의용량 The Current Harmonics를증가시킴부하량 The Current Harmonics를증가시킴 DC or AC Reactor The Current Harmonics를감소시킴 Rectifier의 ulse 수 The Current Harmonics를감소시킴 3) 고조파를사용함으로서기기에미치는영향변압기과열콘덴서의과전류유입과소음발생 4) 고조파를저감시키는방법 1 인버터입력단에 AC 리액터를설치하여전류를평활하는방법 2 인버터내부에 DC 리액터를설치하여전류를평활하는방법

3 인버터를활용한에너지효율향상 회로방식입력전류파형고조파분석고조파율비고 N N N N N 88% 43% 37% 35% 12% 5% 일반인버터로고조파함유율이많다. 인력단에 AC Reactor 를삽입하여전류를평활 인버터내부에 DC Reactor 를삽입하여전류평활 AC, DC Reactor 를삽입하여전류평활을극대화 인버터입력을 6 상으로만들어전류를정현파로만듦 WM Converterf 를정류부로사용하여전류를제어함 그림 3 3 AC, DC 리액터를설치하는방법 4 인버터입력을 6 ulse로만들어전류를정형화로만드는방법 5 WM 컨버터를정류부에사용하는방법 6 고조파필터를적용하는방법등이있으며, 부하별로중요도와투자비를고려하여여러가지방법등을선택하여가장보편적으로쓰는방법은 AC 리액터또는 DC 리액터를적용하여 THD( 고조파함유율 ) 을 30~40% 이하로줄이고있다 1) 감속제동 : 감속하거나정지하기위해서거는제동으로부하나전동기가갖고있는운동에너지를흡수하는상태이다. 2) 운전제동 : 제동하면서일정의회전속도에서운전을계속하는상태를말한다. 예를들어, 하역할때감아내리는경우이다. 이때는부하의발생에너지를흡수한다. 4.2 에너지흡수의방법에따른분류 4. 인버터의회생에너지처리방법 4.1 목적별분류 제동을사용목적에따라분류하면두가지가된다. 1) 기계적제동법기계적마찰토크에따라제동을거는것으로전동기와별개의브레이크를이용한다. 브레이크로제동할때스프링 ( 혹은추 ) 의힘을이용하고느슨하게할때전자석을이용하는것을 b브레이크라하며, 그역을 a브레이크라한다. 어느것이든전자석을이용하기때문에 100 계장기술

4 전자브레이크라한다, 정전의경우에제동이걸리는것이안전할경우 b브레이크를이용하며제어를주체로하는경우는 a브레이크를이용한다. 전자석을대신하여전동유압압상기를이용하는것도있다. 기계적제동법은정지시에도제동토크가걸려있는것이특징이나, 마찰부가마모하는결점이있다. 2) 전기적제동전기적으로에너지를흡수하는방법으로전동기의특성을이용하는것과별도의브레이크를부속되는경우가있다, 고빈도혹은연속적제동작용에적합하지만, 정지시에는제동토크가 0이되는점에주의를요한다. a) 발전제동 : 전동기를발전기상태로하여그출력을저항으로소모시켜에너지를흡수하는방법이다. b) 역상제동 : 정운전중에역운전의접속으로전환하여제동하는것으로, 정지후역방향으로기동하는것을방지하기위해정지검출기가필요하다. c) 와전류제동 : 와전류손에따라에너지를흡수하는방법이다. 되면, 권상기기어등의마찰때문에자중만으로하강하지는않는다. 전동기가감아내리는방향으로토크를내면서감아내리는경우 Tm < 0, n < 0이되어전도기로서작용한다. 전동 Door나콘베이어는정방향에도역방향에도동일하게전동기로서토크를내기때문에, 제1상한정방향과제3상한역방향운전으로생각하면된다. 제2상한의상태는평형시에는나타나지않으나, 과도적으로이러한상태가있다. 즉, 제1상한감아올리는상태에서, 최초고속의 a점에서회전하고있는것을급격히감속, b점으로하여도, 관성때문에급하게변하지않고, 그과도상태가있어전동기는 a점에서제2상한의 a점으로이동하여발전작용을나타내고, GD 2 가가지는에너지를방출하여감속 b점으로떨어지게된다. 또한제4상한감아내리는 c점에서저속운전하고있는것을급히고속의 d점으로하고자하면, 관성때문에앞서설명한것과같이점 c -> c -> d로이동, 과도적으로제3상한의운전이행해지게된다. 4.3 운전영역 제 2 상한 n>0 제 1 상한 a a 전동기를운전하는적절한상태는운전하는방향에토크를나오게하여부하를운전하고있는상태이다. 회전속도 n과전동기의토크 Tm에있어서, 반시계방향을점으로하고 < 그림 4> 에의한 4개의상한으로표시하면, 제1상한은모터가하중을감아올리고있는가장보통의상태이다. 제 4상한은회전방향이역 (n < 0) 이다. 또한전동기토크는하중이자중에의하여떨어지는것에대한역방향힘, 즉반시계방향의토크를내어제동하고, 어떤속도로시계방향으로회전하고있으므로 Tm > 0이되고, 전동기는발전기로작용한다. 즉, 감아내리는운전상태이다. 제3상한의하중이너무작게 TM T L TM<0 T M TL b TM>0 c c d 제3 상한 n<0 제4 상한 그림 4 따라서, 회생에너지를처리하는방법에는크게두가지가있으며, 제동유닛을설치하여회생된에너지를제동저항에서 T M T L TM T L

5 인버터를활용한에너지효율향상 VVVF DC Link Energy Flow Utility i = 0 R Heat Dissipation M Motor 그림 5. 제동유닛회로도 DC Link Regeneration Energy Utility Line M 그림 6. 회생유닛회로도 소비시키는방법과, 회생유닛을설치하여회생된에너지를전원으로환원시켜과전압 Trip 없이연속운전과더불어에너지를절감할수있다. 이와같은부하는상하이송장치, 즉안승용엘리베이터, 화물용주차타워가있으며, 관성이큰부하원심분리기, 탈수기, 프레스등이있다. 에너지절감량은부하운전방법에따라 10~40% 절감할수있다. 5. 서지전압의영향과대책 5.1 서지전압이란인버터는상용전원을정류하여평활하므로직류전압 E는상용전원전압의 2배 (AC400V 입력의경우는약 620V) 로된다. 출력전압의파고치는통상이직류전압정도이다. 그러나인버터와모터간의배선에서 102 계장기술

6 Surge 전압 AC440V DC620V 상용전원 인버터 모터 그림 7. 각부의전압파형 Surge 전압배율 2 tr = 0.1[ μs ] tr = 0.3[ μs ] tr = 0.1[ μs ] tr = 1.5[ μs ] tr = 0.2[ μs ] 1 인버터 tr 전압 turn on 시간 모터 Surge 전압 3 심 5.5mm 2 케이블 Cable 길이 (m) 그림 8. 배선길이와모터단자전압파고치의실측치 인덕턴스 (L) 와부유용량 (C) 이존재하여인버터소자의스위칭에의해전압변화가 LC 공진에의해 Surge 전압을발생시켜모터단자에높은전압을인가하는것이된다.( 그림 7 참조 ) 그림 8에인버터와모터사이의배선길이에대한모터단자전압파고치관계를실측한예를표시한다. 이것에서모터단자전압파고치는배선길이가길면상승하고, 인버터의직류전압의약 2배에서포화하는것을확인할수있다. 더욱이, 배선길이가짧아도 tr 시간이짧은경우는단자전압이높아진다. IGBT의경우는 tr = 0.1~0.3 s이며, 바이폴라트랜지스터의경우는 tr = 0.3~1 s에이른다. 출력리엑턴스와필터를투입한경우는 tr = 1 s 이상이된다. Surge 전압배율은직류전압 E에대한배율이된다. 5.2 Surge 전압의영향배선의 LC 공전등에의해발생한 Surge 전압은모터의입력단자에인가되어, 이 Surge 전압의크기에의해모터절연에파손되는경우가있다. 200V급인버

7 인버터를활용한에너지효율향상 상용전원 인버터 리액터 모터 상용전원 인버터 L R 모터 C 그림 9. Surge 전압의억제방법 터로구동하는경우는직류전압이약 300V이기때문에 Surge 전압이모터단자전압파고치의 2배가되어도절연강도상의문제가없다. 그러나 400V급인버터로구동하는경우는직류전압이약 600V로되기때문에배선길이에따라서는 Surge 전압이높게되어절연파손이되는경우가있다. 5.3 Surge 전압의대책 400V급인버터로모터를구동하는경우 Surge 전압에절연파손대책으로서아래에방법이있다. 1) 절연을강화한모터를사용하는방법 - 모터권선의절연을강화시키고, 내 Surge 성분을향상시킨다. 2) Surge 전압을억제하는방법 - Surge 정압을억제하는방법에는전압의상승시간을억제하는방법과파고치를억제하는방법이있다. 1 출력리액터 : 배선길이가비교적짧으면인버터의출력측에 AC 리액터를설치하여전압상승시간 (dv/dt) 를억제하는것에의해 Surge 전압을저감하는것이가능하다.( 그림 9 참조 ) 2 출력필터 : 인버터의출력측에필터를설치하여모터단자전압의파고치를억제한다. 6. 인버터적용시주의해야할부하종류 6.1 ump < 최저운전속도의제어 > 펌프의토출압은회전수 2승에비례하지만, 양정 (H) 이있는경우유량이흐르기시작하는최저회전수가정해지며, 약간의차이가있을수있다. N min1 N max N min2 N max 계산식예 ) ha ho ( 관단압제어 ) ha+hl ho ( 토출압제어 ) 설계양정 100m, 실양정 80m, ump 속도 : 1800rpm (4 극기준 ) ump 최저 RM : 최저운전 Hz : N = 120F F = 1, Hz Hz 이상운전해야물이흐르기시작한다. ho : 설계양정 ha : 실양정 hl : 손실양정 = 1,440rpm 계장기술

ho 설계양정 력으로노즐에서금형안에사출해성형하는기계를말 관단압일정제어 Q-H 특성 하며, 가소화 ( 용융 ) 기구, 사출기구, 금형체절기구및구동기구등으로구성되어있으며, 사출성형기에는가소 토출압일정제어 양정 (H) Nmin2 Nmin1 손실양정 hl 실양정 ha 화와사출을동시에하는플런저식과플런저예비가소화식, 스크류예비가소화인라인스크류식등이있다.

8 ho 설계양정 력으로노즐에서금형안에사출해성형하는기계를말 관단압일정제어 Q-H 특성 하며, 가소화 ( 용융 ) 기구, 사출기구, 금형체절기구및구동기구등으로구성되어있으며, 사출성형기에는가소 토출압일정제어 양정 (H) Nmin2 Nmin1 손실양정 hl 실양정 ha 화와사출을동시에하는플런저식과플런저예비가소화식, 스크류예비가소화인라인스크류식등이있다. 사출기에인버터를적용시주의사항은유압펌프를구동하여성형을찍는가압시와후퇴하는구간으로크 유량 (Q) 게나누어진다. 가압시는최대부하가걸리고, 후퇴공 그림 10 정은무부하로잔부하의 25% 정도소요가된다. 따라서, 후퇴시주파수를 30Hz 이하로운전하지않 관단압력 으면에너지절감이 5~6% 정도만됨으로에너지절감 효과가거의없고, 생산량만줄어들게됨으로적용시 검토를신중하게해야한다. 6.3 컴프레셔 토출압력 ump 케이싱내맞물려회전하는로터 (Roter) 라고불리는숫나사 (Male roter) 와암나사 (Female roter) 가회전하면서공기를흡입압축하며, 토출구를통하여압축공기를배출한다. 그림 11 따라서, 관단압을제어하는관또는토출압을제어 흡입공기 흡입필터 흡입공기조절밸브 하는관에따라서펌프최저회전수가정해지며, 이러한최저회전수를고려하지않으며, 인버터를적용하여도물이흐르지않고, 또에너지절감이되지않으며, 펌프에무리한동력을가하면과열, 소음진동이증가 스크류본체 오일쿨러 오일탱크회수기 오일필터 아프터쿨러 드레인세퍼레이터 1 차클린에어 하여펌프의고장을유발할수있으므로, 중요한내용이라고할수있다. 자동온도조절밸브 6.2 사출성형기 그림 12 열가소성의플라스틱원료를가열용융하여높은압 컴프레셔부하의에너지절감원리는 Loading Time

인버터를활용한에너지효율향상 에따라서에너지절감차이가큼으로면밀한검토가필요한부하이다. 6.4 프레스 INV Screw Comp 신호조절압력센서 그림 13 기존에프레스는 V/S 모터나가변피치풀리를사용하여속도를가변하고있으나, 변속기의마모가빠르 T a n k 고, 변속기금액이고가이며, 고장이잦으며, 수리비용이많이든다.

9 인버터를활용한에너지효율향상 에따라서에너지절감차이가큼으로면밀한검토가필요한부하이다. 6.4 프레스 INV Screw Comp 신호조절압력센서 그림 13 기존에프레스는 V/S 모터나가변피치풀리를사용하여속도를가변하고있으나, 변속기의마모가빠르 T a n k 고, 변속기금액이고가이며, 고장이잦으며, 수리비용이많이든다. 이와같은문제가있어인버터를적용하면제품의품종에따라최적합한 line 속도나가감속을실현하여품질생산성을향상시키며, 유지보수비가절감된다. < 프레스용량선정시주의사항 > 토크리플이있는용도등 eak 부하가걸리는용도에서는전동기정격전류나출력 kw치에의해인버터용량을결정하면피크전류에의해과전류 Trip이자주발생하여사용하는데불편하며, 또한피크전류에의해 ower 소자의수명을단축시킨다. 따라서, 클러치를투입하는전류파형을조사하여피크전류치를과부하내량으로나는전류치보다인버터정격전류를크게선정해야한다. [Modulation 운전 ] [Load/Unload 운전 ] 그림 계장기술

A B C D 전류 1 eak H G F E 시간 그림 15 그림 16 < 인버터적용전후비교 > 항목 인버터적용전 ( 현재설비 ) 인버터적용후 고장주기 1 개월주기로발생최소수명 6 년이상 ully 1. ress 비가동시간이많음 : 생산성저하 1. 구입기간단축 2. 수리시간의과다소요 2. 국산으로가격저렴 3. 고가품 ( 수입품 ) 3. 반영구적사용 1.

10 A B C D 전류 1 eak H G F E 시간 그림 15 그림 16 < 인버터적용전후비교 > 항목 인버터적용전 ( 현재설비 ) 인버터적용후 고장주기 1 개월주기로발생최소수명 6 년이상 ully 1. ress 비가동시간이많음 : 생산성저하 1. 구입기간단축 2. 수리시간의과다소요 2. 국산으로가격저렴 3. 고가품 ( 수입품 ) 3. 반영구적사용 1. 잦은절단으로작업중단 1. 수시구입가능 2. 재고확보미흡으로작업중단 ( 수입품, 국산혼용 ) 2. 국산으로가격저렴 3. 운전맨교환가능 8. 결론우리모든산업역군은공장자동화와에너지절감에필수적인인버터를적용함에있어부하별특징을감안하여기계의특성을잘파악하고설계에적용한다면에너지절감뿐만아니라기계의효율을극대화할수가있으리라믿으며, 우리모두힘을합쳐에너지절감과부하효율성향상에온힘을다해서전력난을극복해야한다. 공장, 빌딩등모든산업분야에서, 작게는회사와크게는국가산업발전을위하여불철주야, 노심초사수고하시는모든분들게감사드린다

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제목을 입력하십시오 포워드, 플라이백컨버터 Prof. ByoungKuk ee, Ph.D. Energy echaronics ab. chool of Informaion and Communicaion Eng. ungkyunkwan Universiy Tel: 823299458 Fax: 823299462 hp://seml.skku.ac.kr E: bkleeskku@skku.edu Forward