인버터이론 (V1.5)
목차 모듈 Ⅰ. 인버터기초 이론 01. 모터이론 이론 02. 인버터이론 9 23 부록 ) 주변기기 이론01. 고조파 (THD) 이론02. 제동유닛 (DBU) & 제동저항 (DBR) 이론03. 역률이론04. EMC Filter 이론05. Resolver 이론06. Encoder 41 50 54 55 56 57
모듈 Ⅰ. 인버터기초
01. 모터이론 1. 모터의정의 전기에너지를역학적에너지로바꾸는기기. ( 반대어 : 발전기 ) 모터는전원사양, 운전방식등으로구분되며 3상농형유도전동기가주로사용된다. 모터팬 프레임 입력단자대 고정자 회전자 * 3 상농형유도전동기. 모듈 Ⅰ. 인버터기초 9 샤프트
01. 모터이론 2. 모터의분류 2.1 특성에의한분류 DC Motors Permanent Magnet Motors IPM Electric Motors Synchronous Motors Wound Field Motors SPM Reluctance Motors AC Motors Single Phase Asynchronous Motors Induction Motors Three Phase 모듈 Ⅰ. 인버터기초 10
01. 모터이론 2. 모터의분류 2.2 모터의변천사 DC Motor IM Motor PM Motor - 초기모터로서제어가쉽다. - 토크확보가유리하다. - 정류자와브러쉬의마찰로소손의가능성이크다. - 정기적인보수가필요하며, 유지보수비용이많이든다. - 구조가간단하다. - 전력전자기술의발달로, 현재가장많이사용된다. - 유지보수간단하고비용이적다. - 동기전동기에비해낮은효율. - 슬립이없고, 효율이좋다. - 무부하전류가필요없다. - 기계제작기술의발달로, 소형화, 고속화가가능하다. - 제작이힘들고단가가높다. - 대용량제작이어렵다. 모듈 Ⅰ. 인버터기초 11
01. 모터이론 3. 모터주요이론 앙페르의오른손법칙 렌츠의법칙 전류가들어가는방향 전류가나오는방향 유도기전력의방향은코일면을통과하는자속의변화를방 해하는방향으로나타난다. 즉, 유도전류에의한자기장은 자속의변화를방해하는방향이된다. 유도기전력의방향은코일면을통과하는자속의변화를방 해하는방향으로나타난다. 즉, 유도전류에의한자기장은 자속의변화를방해하는방향이된다. 모듈 Ⅰ. 인버터기초 12
01. 모터이론 3. 모터주요이론 플레밍의오른손법칙 플레밍의왼손법칙 Magnetic Field (B) Force (F) Force (F) Magnetic Field (B) Current (I) Current (I) 자기장속에서도선이움직일때자기장의방향과도선이움 직이는방향으로유도기전력의방향을결정하는규칙. ( 발전 기구동원리 ) 자기장속에있는도선에전류가흐를때자기장의방향과도 선에흐르는전류의방향으로도선이받는힘의방향을결정 하는규칙. ( 모터구동원리 ) 모듈 Ⅰ. 인버터기초 13
01. 모터이론 4. 모터의구동원리 4.1 DC 모터의구동원리 모듈 Ⅰ. 인버터기초 14
01. 모터이론 4. 모터의구동원리 4.2.1 AC 모터의구동원리 : 회전자계의형성 #1 #2 #3 #4 #5 #6 #7 Phase U + + - - - + + Phase V - + + + - - - Phase W - - - + + + - 모듈 Ⅰ. 인버터기초 15
01. 모터이론 4. 모터의구동원리 4.2.2 AC 모터의구동원리 : 아라고의원판 1 렌츠의법칙 2 플레밍의오른손법칙 3 플레밍의왼손법칙 - 렌츠의법칙을발생하는유도기전력에의해 원판의상대적운동방향이결정된다. - 플레밍의오른손법칙에따라 원판내의유도기전력의방향이결정된다. - 플레밍의왼손법칙에따라 원판의운동방향이결정된다. 모듈 Ⅰ. 인버터기초 16
01. 모터이론 4. 모터의구동원리 4.2.2 AC 모터의구동원리 : 아라고의원판 N 원판의회전방향 S [ 모터회전원리 ] 자석의회전방향 영구자석을화살표방향으로이동하면원판이이것과같은방향으로회전한다. 이것은자석의이동에의해원판 상에발생하는와전류와자속과의사이의전자력에의해토크를발생하는것으로, 발명자아라고 (Arago, 프랑스 ) 의이름을따서아라고의원판이라고한다. 모듈 Ⅰ. 인버터기초 17
01. 모터이론 4. 모터의구동원리 4.2.3 AC 모터의구동원리 (4-pole) 모듈 Ⅰ. 인버터기초 18
01. 모터이론 5. 모터의특성 5.1 토크 (Torque) - 물체에작용하여물체를회전시키는원인이되는물리량. 단위는 N m 또는 kgf m 를사용한다. - 모터의경우는축이회전하는데힘이발생하므로 회전운동의힘 = 토크 라표현한다. K : 상수 I : 전류 5.2 동기속도 (Synchronous Speed) - 교류전원을사용하는동기전동기나유도전동기에서만들어지는회전자기장의회전속도를말한다. - 동기속도는주파수에비례하고, 자극의수에반비례한다. Number of Poles Frequency 50 [Hz] 60 [Hz] 2 [P] 3000 [rpm] 3600 [rpm] 4 [P] 1500 [rpm] 1800 [rpm] 6 [P] 1000 [rpm] 1200 [rpm] 8 [P] 750 [rpm] 900 [rpm] 모듈 Ⅰ. 인버터기초 19
01. 모터이론 5. 모터의특성 5.3 슬립 (Slip) - 유도전동기의회전속도는부하의경중에따라동기속도보다저하된속도로회전하게되며동기속도에비해저하된정도. - 정격토크에서운전하는경우슬립은통상 3~5%. - 부하토크가크게되면 ( 과부하 ) 슬립도크게되어모터전류가커진다. - 모터의명판에표기된슬립은모터의용량에해당하는정격부하토크가걸렸을경우나오는속도이며, 무부하시에는이보다빠른속도로회전하게된다. Ns : 동기속도 N : 회전속도 모듈 Ⅰ. 인버터기초 20
01. 모터이론 5. 모터의특성 5.4 유도전동기의특성곡선 - 시동토크 : 전동기가기동할때발생하는토크 - 최소토크 : 기동시나타나는최소값의토크 - 최대토크 : 동기속도의 80~90% 에서발생 - 일치점 : 정격속도에서의토크로정격토크라고도함 토크 토크곡선 시동토크 회전속도 최대토크 N 부하토크와모터발생토크의일치점 슬립 N s 부하토크 모듈 Ⅰ. 인버터기초 21
01. 모터이론 5. 모터의특성 5.5 유도전동기의능력곡선 - 약계자영역 : 모터의정격속도를능가하게되면출력전압이한계치에도달하여더이상증가하지않게되고, 일정한토크를보장하지못하는약계자영역에도달하게된다. 약계자영역 전토 압크 (V) (T) 주파수에비례하는전압 일정한토크 토크저감 ( 정출력 ) 전압일정 60Hz 주파수 (f) 모듈 Ⅰ. 인버터기초 22
02. 인버터이론 1. 인버터의정의 1.1 사전적정의 전기적으로 DC( 직류 ) 성분을 AC( 교류 ) 성분으로변환하는장치 1.2 FA(Factory Automation) 적정의 상용전원으로부터전력을입력받아자체내에서전압과주파수를가변시켜모터에공급함으로써모터속도를제어하는장치 => 전압과주파수를가변시켜모터의속도를제어하는장치 1.3 인버터의여러가지명칭 1) Inverter 2) AC Drive 3) VFD : Variable Frequency Drive 4) VVVF : Variable Voltage Variable Frequency 5) VSD : Variable Speed Drive 모듈 Ⅰ. 인버터기초 23
02. 인버터이론 2. 인버터의속도제어 한전에서공급하는전기 ( 상용주파수 60Hz) 를그대로모터에공급하면모터는최대속도인 1,800rpm으로일정한속도로회전함.(4극모터기준 ) 인버터를사용하면전원의주파수를바꾸어공급하여원하는속도로변경하여사용할수있음. 예 ) 출력주파수를 1 Hz로하면모터는 30rpm, 2Hz로하면 60rpm, 30Hz면 900rpm으로회전 모터회전속도 N (rpm) = 120 x 주파수 (f) 모터극수 ( P) = 30 x 주파수 (f) 주 ) 일반모터는 4 극임 인버터는전력용반도체를활용한전력변환으로모터속도를제어하는대표적인전력전자제품 모듈 Ⅰ. 인버터기초 24
02. 인버터이론 3. 인버터의사용목적 전원이다소불안정하여도모터를일정한속도로회전시킬수있음 제품품질향상 간편하게제품을사용할수있음 쉬운조작 에너지절약 필요한만큼의속도를제어하여필요한양의전력을사용하므로에너지를절약할수있음 인버터사용 Merit 외부환경보호 기동시에전원을단계적으로증가시켜외부에영향을최소화함 ( 대용량모터를바로동작시킬경우급격한전원사용으로외부전원또는장치에충격을줄수있음 ) 생산성향상 공장자동화에적용하여생산성향상을꾀할수있음 모듈 Ⅰ. 인버터기초 25
02. 인버터이론 4. 인버터의구성 4.1 시스템구성 R S T 입력전원 220V/380V 60Hz U V W 출력전원가변된전압 / 주파수 모터의속도제어 60Hz 상용전원 평활콘덴서에의한 RIPPLE 제거파형 ( DC 전압파형 ) IGBT 스위칭후전압파형 ( 부등펄스 PWM ) 모듈 Ⅰ. 인버터기초 26
02. 인버터이론 4. 인버터의구성 4.2 인버터구성 Inverter 3상교류전원모터 AC R,S,T 컨버터부평활부인버터부 U,V,W M AC 전원입력 1. 국가별로다름. 2. 주파수고정 (50Hz, 60Hz) 3. 전압고정 (220V, 380V. ) AC -> DC -> AC 1. 컨버터부 : AC 정류 2. 평활부 : 정류된 DC 평활 3. 인버터부 : DC 를 AC 로변환 AC 전원출력 1. 국가별로다름. 2. 주파수가변 (0Hz ~ 400Hz) 3. 전압가변 ( 0V ~ 최대입력전압 ) 모듈 Ⅰ. 인버터기초 27
02. 인버터이론 5. 인버터의동작원리 M/C P(+) 충전저항 R S T + U V W N(-) 컨버터부 돌입전류 평활부 회생제동부 인버터부 억제회로 모듈 Ⅰ. 인버터기초 28
02. 인버터이론 5. 인버터의동작원리 PWM 전압형인버터 - 직류회로에콘덴서를통하여전압을일정하게유지하며트랜지스터, IGBT, GTO 등을사용하여직류전압을스위칭하는방식. - PWM은펄스폭변조의의미로펄스의폭을변화시켜출력측의교류전압을가변한다. - 효율, 모터의토크특성이좋고다른방식에비해경제적이기때문에범용인버터는대부분이방식을취하고있다. D1 D3 D5 Tr1 Tr2 Tr3 전동기 3 상 60Hz 입력 Ed + M D2 D4 D6 Tr4 Tr5 Tr6 입력 직류 출력 전압파형 Ed 전류파형 모듈 Ⅰ. 인버터기초 29
02. 인버터이론 6. 인버터의제어 6.1 V/F 제어 - V/F 제어방식은가장보편적으로적용되는제어방식. - 주파수가가변함에따라전압도비례적으로가변되어출력되도록설계된방식이다. 주파수를변화시킬때 V/F 비가일정하면모터가발생시킬수있는토크도일정하다는성질을이용하여주파수를변화시킬때그에상응하는전압을변화시켜제어한다. 다른제어방식에비해성능은떨어지나경제성, 범용성이높다. 모듈 Ⅰ. 인버터기초 30
02. 인버터이론 6. 인버터의제어 6.2 Vector 제어 - 벡터제어란유도전동기의고정자에이입되는전류를토크분전류 (iq) 와자속분전류 (id) 로나누어제어하는방식. - 벡터제어는전류를제어할수있으며, 속도제어의정밀도가높고강력한토크특성을얻을수있다. 모듈 Ⅰ. 인버터기초 31
02. 인버터이론 6. 인버터의제어 6.3 Sensorless Vector 제어 - 센서리스벡터제어는벡터제어의일종으로, 벡터제어에준하는제어성능을나타낸다. - 벡터제어방식은속도검출센서를통하여모터의실제속도를피드백받아정밀속도제어를수행한다. 허나센서리스벡터방식에서는속도검출센서가없어, 모터의실제속도를피드백받을수는없으나, 속도추정작업을통하여실제속도와근사한값을추정하고이를보상하여벡터제어방식에준하는속도및토크제어가가능하다. 모듈 Ⅰ. 인버터기초 32
02. 인버터이론 6. 인버터의제어 6.4 각제어방식의특징 구분 V/F제어 센서리스벡터제어 벡터제어 속도제어정도 낮음 우수 매우우수 Encoder 없음 없음 있음 기동토크 낮음 높음 매우높음 토크제어 불가 가능 가능 거리제한 없음 없음 있음 H/W 구성 간단 비교적간단 복잡 S/W 구성 간단 복잡 복잡 모터시정수 불필요 필요 필요 응답성 부하변동시낮음 부하변동시좋음 부하변동시뛰어남 저속토크특성 떨어짐 우수 매우우수 모듈 Ⅰ. 인버터기초 33
02. 인버터이론 7. 인버터의에너지절감 7.1 부하의종류 - CT (Constant Torque) 부하 : 모터의회전속도에따라부하토크가일정한부하. - VT (Variable Torque) 부하 : 모터의회전속도에따라부하토크가변화하는부하. 부하토크 VT 부하 CT 부하 정격속도 모터의회전속도 모듈 Ⅰ. 인버터기초 34
02. 인버터이론 7. 인버터의에너지절감 7.2 부하별토크특성 - 정토크특성 ( CT : Constant Torque ) : 속도에무관하게일정한토크를필요로하는특성을가진부하예 ) 컨베이어, 엘리베이터 토크 속도 - 2 승저감토크특성 ( VT : Variable Torque) : 토크가속도의 2 승에비례하여증가하는특성을가진부하 예 ) 팬, 펌프, 블로워 토크 속도 - 정출력특성 ( CP : Constant Power ) : 저속운전및기동시에큰토크특성이요구되지만, 고속에서는필요한토크가작아도되는특성을가진부하예 ) 와인더, 목공, 금속절삭용톱, 탈수기 토크 속도 모듈 Ⅰ. 인버터기초 35
02. 인버터이론 7. 인버터의에너지절감 7.3 인버터적용시, 팬 / 펌프부하의특징 - 2승저감부하특성으로인버터적용시에너지절감효과가가장우수하다. - 안정적인기동및정지로부드러운운전가능. - 인버터의보호기능으로유지보수성의향상. - 배관의과다압력방지및누수방지 - 팬, 펌프운전소음감소 - 팬, 펌프, 블로워의특성은전동기의회전속도와유량, 압력과의비례식으로표현할수있다 - 풍량 ( 유량 ) 은모터의회전속도에비례 - 정압은모터회전속도의 2승에비례 Q N H N - 동력 (Power) 은모터회전속도의 3 승에비례 3 P 2 H Q N 모듈 Ⅰ. 인버터기초 36
02. 인버터이론 7. 인버터의에너지절감 7.3 에너지절감원리 댐퍼제어 인버터제어 전원 전원 제어기 조작량 요구량 측정량 인버터 요구량 측정량 M 댐퍼 풍량 (Q) M 댐퍼 풍량 (Q) 모터 FAN 모터 FAN 정압 (H) 정압 (H) R2 H2 B N=100% 회전속도 R1 R1 H1 0 Q2 (1/2) Q1 (1) A 풍량 (Q) H1 H2 0 B Q2 (1/2) N=50% 회전속도 Q1 (1) A N=100% 회전속도 풍량 (Q) 모듈 Ⅰ. 인버터기초 37
02. 인버터이론 7. 인버터의에너지절감 7.3 에너지절감원리 - P1 : 인버터설치전동력 - P2 : 인버터설치후동력 - N1 : 인버터설치전모터회전수 (60Hz) - N2 : 인버터설치후모터회전수 (50Hz, 55Hz) 55Hz 운전시 P2 3 N2 55 P1 P1 0. 77 P1 N1 60 3 P2 절감율 1 P1 23% 50Hz 운전시 P2 3 N2 50 P1 P1 0. 58 P1 N1 60 3 P2 절감율 1 P1 42% 인버터효율및기타영향을감안하였을때, 55Hz 운전시평균 20%, 50Hz 운전시평균 37% 절감가능함 모듈 Ⅰ. 인버터기초 38
부록 ) 주변기기
부록 ) 주변기기
이론 01_ 고조파 (THD) (1) 고조파의정의 : 고조파는기본파에대하여그의정수배의주파수를말하는것으로, 통상왜형파는그림과같이기본파와고조파로분해해서생각할수있다. 이런왜형파는각종계전기오동작, 정밀전자기기의동작불량, 기기손상및과열등의원인이될수있다. 부록 ) 주변기기 41
이론 01_ 고조파 (THD) (2) 고조파의발생원 : 고조파의발생원은대부분전력전자소자를사용하는기기에서발생된다. 그종류로는변환장치, 회전기기, 변압기, 컴퓨터및다른전자장치등이있다. (3) 고조파의영향 : 인버터의고조파발생원은지속적이고고조파전류성분이크기때문에전력계통의사고및장해발생이빈번하여전력계통운영에많은문제점을유발한다. 1) 콘덴서의과열, 과전압, 소음발생 2) 발전기나회전기, 변압기의손실증대및과열 3) 제어시스템의불안정 4) 이상공진에의한고조파과전압기기에의영향 5) 차단기의오동작및통신장해및기타기기의오동작 6) 통신회로에의잡음및유도장해 7) 역률저하 부록 ) 주변기기 42
이론 01_ 고조파 (THD) (4) 종합고조파왜형률 (THD : Total Harmonics Distortion) : 아래식에서와같이고조파전압실효치와기본파전압실효치의비로서나타내며고조파발생정 도를나타내는데많이사용된다. V1 : 기본파전압 Vn : 각차수별고조파전압 (5) 고조파발생요소 요소모터용량의증가부하량의증가 DC or AC Reactor Rectifier의 pulse 수의증가 효과고조파전류를증가시킴고조파전류를증가시킴고조파전류를감소시킴고조파전류를감소시킴 부록 ) 주변기기 43
이론 01_ 고조파 (THD) (6) 고조파저감방법 1) 교류리액터 (AC Reactor) 및직류리액터 (DC Reactor) 설치고조파발생부하장치의 1차측에교류리액터 (ACR) 를부착하여전원의 Total 임피던스를크게함으로써전원전류내에포함되어있는고조파를저감하거나, 또는직류리액터 (DCR) 을고조파발생부하장치의직류회로에삽입하여직류파형의리플을작게하고, 리액터에의한한류작용으로전류의변화를완만하게하여고조파를저감시킬수있다. 교류리액터가있는경우고조파발생량을약 50% 저감하고있고, 또한직류리액터가있는경우는고조파발생량을 55% 이상저감하고있는것을알수있다. DCR ACR 부록 ) 주변기기 44
이론 01_ 고조파 (THD) 2) 변환기의다펄스화펄스수는정류기등의변환장치에있어서 전원전압의 1Cycle 중에독립하여생기는전류의수 로정의하고있으며, 실제는직류전압에포함되어있는맥동펄스의수와같다. 예를들면 3상브리지접속의펄스수는 6이되고, 이펄스의수가커지면교류전류에포함되어있는고조파차수가높게되고, 동시에고조파전류의크기도감소된다. 부록 ) 주변기기 45
이론 01_ 고조파 (THD) 3) PWM 컨버터채용전원고조파전류를발생측에서억제하는방식으로 PWM컨버터가있다. 주회로구성은그림과같이범용인버터의입출력을반대로하여교류전원측에리액터를접속하고다이오드정류기를제거한것이다. 교류전원과 AC리액터간에그림에서점선으로표시한콘덴서를넣는경우가있다. 이방식으로는저차의고조파를대폭저감시킬수있으며스위칭주파수를 6 7kHz 이상으로하면종합전류왜형율을약 5% 정도이하로억제할수있다. 부록 ) 주변기기 46
이론 01_ 고조파 (THD) 4) Passive Filter L과 C를이용한방법으로공진이일어날수있다. 수동필터이기에고조파억제에유용하며, 고조파성분을제거하진못한다. 설치환경별로시행계산에의한설계를할필요가있다. ( 고조파발생량파악이필요하다.) C L R C L R [ 동조필터 ] [ 고차필터 ] 5) Active Filter Passive Filter 와달리부하전류를보고고조파성분의역상을추려내서상쇄시킬수있다. 깨끗한 파형을만들어낼수있다. AC Line DC Link Clean Power Filter IGBT Module 부록 ) 주변기기 47
이론 01_ 고조파 (THD) 6) Passive Filter & Active Filter 비교 Filter Passive Filter Active Filter 종류동조필터 / 고차수필터 Active Power Filter Active Front End 동작원리 L-C 공진특성이용 고조파성분과의반대의위상을보내서서로상쇄시킴 (PWM-IGBT) 억제고조파차수 5 차, 7 차또는 11 차이상억제모든고조파에대한억제가능 구성 R, L, C 조합 IGBT 이용 입력방식 - AC 입력 DC 입력 회생 - - 회생 입력전압 boost 기능 - - 가능 경제성저가고가 부록 ) 주변기기 48
이론 01_ 고조파 (THD) 7) 인버터입력전류고조파분석 회로방식 입력전류파형 고조파분석 고조파율 비 고 P N 88% 일반인버터로고조파함유율이많다. P N 38% 입력단에 AC Reactor 를삽입하여전류를평활 P N 33% 인버터내부에 DC Reactor 를삽입하여전류평활 P N 30% AC,DC Reactor 를삽입하여전류평활을극대화 P N 12% 3% 인버터입력을 6 상으로만들어전류를정현파로만듬 PWM Converter 를정류부로사용하여전류를제어함 부록 ) 주변기기 49
이론 02_ 제동유닛 (DBU) & 제동저항 (DBR) (1) 제동유닛 (Dynamic Braking Unit) 1) 모터에서발생하는회생에너지를제동저항측으로내보내는게이트역할. 2) 인버터는회생된에너지를소비하여모터의회전을제동한다. 3) DBU는회생에너지가일정전압이상모터로부터넘어오게되면동작한다. 4) 제품에따라내장형과외장형으로구분되어있다. 5) 제동유닛의용량은모터의용량에따라결정된다. 6) 인버터의용량, 모터용량과회생에너지량이정비례관계는아니다. 회생에너지는기본적으로모터의용량과관계가있지만절대적으로비례하지않고부하에따라다르다. 모터의용량보다회생에너지량이많을수도, 적을수도있다. (2) 제동저항 (Dynamic Braking Resistor) 1) 제동유닛을통해전달된회생에너지를열로소모시켜제거하는역할. 2) %ED(Enable Duty) 에따라서제동저항의용량이달라진다. 부록 ) 주변기기 50
이론 02_ 제동유닛 (DBU) & 제동저항 (DBR) (3) %ED (Enable Duty : DB 사용율 ) 1) 모터가정역방향 1 사이클을운전했을때, 전체운전구간대비회생영역의비율 ( 정지구간포함 ) 2) 예시 - 리프트부하 전체운전구간 (1 Cycle) 모터링영역회생영역1 회생영역2 정방향운전 ( 리프트상승 ) 가속시간 2 정속시간 2 감속시간 2 가속시간 1 정속시간 1 감속시간 1 정지시간 1 역방향운전 ( 리프트하강 ) 정지시간 2 시간 모터링영역 회생영역 본 App. 의 %ED = 감속시간 1 + 가속시간 2 + 정속시간 2 + 감속시간 2 전체운전시간 ( 정지시간포함 ) X 100% 부록 ) 주변기기 51
이론 02_ 제동유닛 (DBU) & 제동저항 (DBR) (4) DBR 저항값 [Ω] 계산 P [kw] = ( 회생량 ) P [kw] = ( 회생량 ) INV[kW] * 모터효율 * 제동토크 [%] V * I = V 2 R R [Ω] (DBR) = V 2 (DBU On Lv) P ( 회생량 ) [kw] 1) 계산된 R[Ω] 은회생량을모두처리하기위한최대값 2) 선정된 DBR 저항값은반드시 DBU 측 IGBT 전류정격이고려된저항값보다높아야한다. 3) DBR 이 DBU 보다낮은경우, DBU 에순간적으로흐르는 I[A] 가 DBU 의정격 I[A] 를상회하게된다. (5) DBR 용량 [W] 계산 P [W] (DBR) = P ( 회생량 ) [kw] * %ED * 안전계수 1) 수식에서보다시피, %ED 에따라 DBR 용량을비례적으로증가시켜줘야한다. 2) 냉각팬유무, 저항재질등에따라안전계수를낮추어적용할수있다. 부록 ) 주변기기 52
이론 02_ 제동유닛 (DBU) & 제동저항 (DBR) (6) DBU IGBT Chopper 의정격전류고려 IGBT Chopper 정격전류 > V (DBU On Lv) R ( 선정된 DBR 저항값 ) DBR 의저항값 [Ω] 선정시반드시 DBU 의정격전류치를고려해서선정해야한다. (7) iru (Innovative Regeneration Unit) 1) 제동유닛, 제동저항, 전원회생의 3가지역할을하는회생제동유닛을말한다. 2) 기존의제동유닛대비제동시간이길고연속운전이가능하여제동능력이탁월하고모터의회생에너지를열로소비하지않고전원측으로환원하여에너지절감효과가뛰어나다. 3) iru에의한연간에너지절감가 ) DB Unit을사용한경우의소비전력 : 14.08kW 나 ) iru를사용한경우의소비전력 : 6.42kW => 54% 절감다 ) 전기료가 55원 /kw, 연간가동시간을 5,000시간으로가정했을때, (14.08 6.42)kW Ⅹ 5,000h Ⅹ 55원 /kw = 2,106,500원을절감할수있다. 부록 ) 주변기기 53
이론 03_ 역률 (1) 역률 (Power Factor) 의정의 1) 피상전력에대한유효전력의비율. 일반적으로 cosθ 로표현. 2) 이는전기기기에실제로걸리는전압과전류가얼마나유효하게일을하는가하는비율을말함. (2) 전력의구분 (P=V I) 1) 유효전력 (Real Power) : R에의해소모되는전력 2) 무효전력 (Reactive Power) : L과 C에의해소모되는것처럼보이는전력 3) 피상전력 (Apparent Power) : 유효전력 + 무효전력 θ P = V I cosθ (3) 역률의개선 1) 교류회로에리액턴스성분이있으면전류와전압간의위상차가생긴다. 인덕터가있을경우, 전압의위상이전류보다 90 앞선다. 커패시터가있는경우전류의위상이전압보다 90 앞선다. 2) 무효전력이줄어들수록 θ값이 0에가까워지고, 역률은 1에가까워진다. 3) 역률개선의효과로는전력손실의감소, 설비용량의효율적운용, 전압강하의감소, 각종기기의수명연장, 전력계통의안정등이있다. 4) 인버터에서는 Reactor를장착하는방법을통해역률을개선시킬수있다. 부록 ) 주변기기 54
이론 04_EMC Filter (1) EMC의정의 1) EMI (Electro Magnetic Interference) 방사또는전도되는전자파가다른기기의기능에장애를주는것 => 전자파간섭, 전자파장애 2) EMS (Electro Magnetic Susceptibility) 전자파방사또는전자파전도에의한영향으로부터정상적으로동작할수있는능력 3) EMC (Electro Magnetic Compatibility) 전자파를주고받는측의양쪽에적용하여성능을확보할수있는기기의능력. EMI와 EMS를모두포함하는포괄적인용어. (2) EMC Filter 1) 주변장치에서발생하는 Noise 및인버터본체에대한 Noise는주변기기에대한영향으로유도 Noise에의한오작동을일으킬수있다. 2) EMC Filter는인버터입력측에장착되며전자파감쇄역할을한다. 3) is7의경우 22kW까지는 EMC Filter가내장형, 이후는외장형이다. 부록 ) 주변기기 55
이론 05_Resolver (1) Resolver 1) 아날로그센서방식의회전속도측정장치 2) 2 차측에배치된권선인고정자권선은서로 90 의위상차이를가지고있는구조. 3) 원리는회전자측권선에교류전압을인가하고, 고정자측권선에유기되는전압을통해위상각을검출한다. 회전자측단자에교류전압을인가하면, 고정자측단자에는각각 cosθ와 sinθ에해당하는교류전압이유기된다. 따라서회전자측두권선사이의출력전압을가지고 tanθ = sinθ/cosθ를구하고이를 arctanθ로취하면전동기회전자의절대각 θ를구할수있다. 4) 진동, 충격등의내환경성이우수하며, 장거리전송에서우수한성능을보이고는있지만, 교류전압 발생회로와출력전압디지털변환회로 RDC(Resolver to Digital Converter) 가필요하므로가격이 비싸진다. 부록 ) 주변기기 56
이론 06_Encoder (1) Rotary Encoder 1) 회전축 (Shaft) 에주어진회전각도를전기적인신호 ( 구형파펄스 ) 로변환하여출력하는장치. 일반적으로사용하는 Encoder를 Rotary Encoder라고부른다. 2) 기기의가동부 (Motor) 의위치나속도를정확히검출하고, 그정보를구동부 ( 인버터 ) 에 Feedback 하기위하여사용한다. (2) Rotary Encoder의종류및특징 1) Incremental형 Encoder (Speed Feedback용 ) 가 ) 구조가간단하고, 분해능이높고출력이적어서간단하게사용하기좋다. 출력펄스는회전위치의절대치가아닌회전한각도에의해비례하는펄스가출력. 나 ) Open collector형 ( 출력 : A, B, Z) 다 ) line drive형 ( 출력 : A, A, B, B, Z, Z ) -> 인식범위가넓고 Base가크기에노이즈에강하다. 부록 ) 주변기기 57
이론 06_Encoder (1) Rotary Encoder 1) 회전축 (Shaft) 에주어진회전각도를전기적인신호 ( 구형파펄스 ) 로변환하여출력하는장치. 일반적으로사용하는 Encoder 를 Rotary Encoder 라고부른다. 2) 기기의가동부 (Motor) 의위치나속도를정확히검출하고, 그정보를구동부 ( 인버터 ) 에 Feedback 하기위하여사용한다. 3) 위치및회전속도측정장치에는센서에따라아날로그방식과디지털방식이있으며, 현재디지털처리방식인로터리엔코더가속도제어장치의주를이룬다. 방식에따라자기식과광학식로터리엔코더로종류가분류되고, LED 산업의발달로근래에는광학식로터리엔코더를가장일반적으로널리사용하고있다. 부록 ) 주변기기 58
이론 06_Encoder (2) Rotary Encoder의종류및특징 1) 자기식로터리엔코더가 ) 자기식로터리엔코더의기본적인원리는자기저항소자에의해사인파형태로출력되며, 이렇게출력된파형은비교기를거쳐파형정형회로를거치면펄스형태로출력된다. 나 ) 특징은먼지, 결빙등의영향을잘받지않기때문에내환경성이우수하며, 구조가간단하다는장점이있다. 하지만낮은분해능을가지고있으며자력을응용한엔코더이기때문에강자계와자성분이많은장소에서사용하는경우에서는외부로부터강력한자성분이들어오면오동작위험때문에자성분이들어오지못하도록외함을자성분이침투하지못하도록보호해야한다. 부록 ) 주변기기 59
이론 06_Encoder 2) 광학식로터리엔코더 가 ) 광학식로터리엔코더는출력하는값의형태에따라 Absolute 형과 Incremental 형으로나뉜다. 나 ) 광학식로터리엔코더의내부구조는 1회전당펄스수와동일한슬릿을가지고있는회전판과펄스출력을위한고정판, 빛을발생시키는발광다이오드 (LED), 회전판과고정판의슬릿을투과한빛을전기적인신호로변환시켜주는포토트랜지스터로구성되어있다. 발광다이오드에서발생된빛은회전판의슬릿과고정판의슬릿을통과하여포토트랜지스터를거치면전기신호로변환된다. 부록 ) 주변기기 60
이론 06_Encoder (3) 광학식 Encoder의종류및특징 1) 증분형 (Incremental) 엔코더가 ) 증분형엔코더는발광다이오드로부터발생된빛은회전판슬릿을통과한후에고정판의 A상, B상과 Z상에해당하는각각의슬릿을통과하여 A상, B상, Z상의포토트랜지스터에서검출된다. 고정판슬릿은 A상과 B상의 90 의위상차를갖도록배치되어있으며, 전기적신호는 90 의위상차를갖는펄스폭 50% 의구형파로출력된다. 대부분의경우위치제어에도사용할수있도록 1회전당 1개의펄스를발생하는원점출력상인 Z상의출력신호를가지고있다. 부록 ) 주변기기 61
이론 06_Encoder 나 ) 증분형엔코더는구조가간단하고가격이싸며, 높은분해능과우수한특성을가지고있으며, 출력선의개수도적어서신호를전달하기에간단하다. 다 ) 회전방향은시계방향 (CW) 회전시 A상의펄스의위상이 B상펄스의위상보다 90 앞서게되며, 반시계방향 (CCW) 회전시 A상펄스의위상이 B상펄스의위상보다 90 뒤지게된다. 이것으로회전방향을판별할수있다. 그러나실제적으로전동기의회전축에접속하는경우에는전동기회전방향과로터리엔코더의회전방향이서로반대가되므로 CCW가정회전이되고 CW가역회전이되는것에유의해야한다. 부록 ) 주변기기 62
이론 06_Encoder 2) 절대치형 (Absolute) 엔코더가 ) 절대치형인코더는회전판의슬릿은비트수만큼배치되어있고, 디지털코드 (Binary Code) 의형태로출력된다. 회전축의절대위치를검출할수있고, 따라서노이즈에의한오차누적이없다. 또한전원이차단된후재투입되는경우에도증분형엔코더처럼원래위치를잃어버리지않고정상적으로올바른현재위치를검출할수있다. 하지만비트수가많아지면출력선의개수가많아져구조상복잡해지고비싸지는단점이있다. 부록 ) 주변기기 63
이론 06_Encoder (4) 로터리엔코더의출력종류 1) 토템폴 (Totem Pole) 출력형토템폴출력형은전원측 (+V) 과그라운드 (0V) 사이에 2개의트랜지스터로구성하여출력을발생한다. 출력신호가 H일때상부의트랜지스터가켜지고하부의트랜지스터는꺼진다. 이와반대로 L로출력될때상부의트랜지스터가꺼지고하부의트랜지스터가켜지게된다. 이방식은전류가양방향으로흐르기때문에임피던스가낮고파형의왜곡이적어라인을길게할수있다. 부록 ) 주변기기 64
이론 06_Encoder 2) 오픈콜렉터 (Open Collector) 출력형오픈콜렉터출력형은에미터는그라운드 (0V) 에연결하고콜렉터를출력단자로사용할수있도록 +V와콜렉터를 Open 시켜놓은출력형태이다. 전원전압과제어부의전원전압이서로다를경우에적용할수있다. 이회로는외부에서 +V와출력사이에풀업저항을삽입해주어야한다. ( 저항값은입력임피던스의 1/5 이하가되도록선정 ) 부록 ) 주변기기 65
이론 06_Encoder 3) 라인드라이버 (Line Driver) 출력형 Line Driver 출력형은주회로에서출력되는신호가 Line Driver전용 IC로입력되면비반전신호와반전신호를출력하는형태이다. 이회로는항상 2가지형태의출력을발생시키기때문에수신부에서차등신호를입력받아출력을내보내는형태로장거리전송이가능하며, 외부노이즈에강하다. 배선의길이가길어지면반드시케이블을꼬아서선로에서발생할수있는기전력을상쇄시켜노이즈성분을제거해주어야한다. 또한별도의 line Driver전용 IC를내장하고있으며, RS422A에상응하는수신부회로를사용하여야한다는점에서가격이비싸진다. 부록 ) 주변기기 66
이론 06_Encoder (5) EnDat Encorder 1) 엔코더에서는빠르고안정된데이터전송이필수적이며, 드라이브특정파라미터나보정값과같은추가적정보제공이 EnDat 인터페이스는엔코더용양방향디지털인터페이스로엔코더에저장된정보를전송또는업데이트하거나새로운정보를저장하며, 증분형엔코더와절대치형엔코더로부터포지션값을전송한다. EnDat 2.2 인터페이스는순수시리언인터페이스로향후유럽에서규격화될안전기능 (Safety Function) 을충족시키도록설계되어있어안전관련분야에도적용이가능하다. 2) EnDat 인터페이스는회로의추가없이도폭넓게엔코더를모니터링하거나진단할수있다. 이진단시스템은에러메세지와경고를생성하는기능이있으며 ( 포지션값참조 ) 또한전체 시스템의가용성을높이는필수적인구성요소이다. 부록 ) 주변기기 67