회전 위상 변환기

Rotary phase converter
간단한 수제 위상 변환기

로터리 위상 컨버터(Rotary phase converter, 약칭 RPC)는 로터리 모션을 통해 한 다상 시스템에서 다른 다상 시스템으로 전력을 변환하는 전기 기계다. 일반적으로 단상전력은 단상만 가능한 구내에서 3상하중을 구동하기 위해 국소적으로 3상전력을 생산하는데 사용된다.

작전

RPC 운용의 주요 원칙은 다음과 같다.

기본 단전압 3상 유도 모터에는 3개의 권선이 있으며, 각 끝은 L1, L2, L3 및 때로는 T1, T2, T3로 일반적으로 번호가 매겨진 단자에 연결된다.

3상 유도 모터는 어떤 수단으로든 한번 돌리면 하나의 권선에 적용되는 단상 전력으로 정격 마력의 2/3로 구동할 수 있다. 단상에서 작동하는 3상 모터가 스스로 시동을 걸 수 없는 것은 죽은 중심에 있는 크랭크처럼 스스로 회전을 만들어 낼 다른 단계가 없기 때문이다.

단자 L1과 L2에 적용되는 단상 전력으로 회전하는 3상 유도 모터는 L1과 L2에 관해서 단자 L3에 걸쳐 전위(전압)를 발생시킨다. 그러나 L1에서 L3까지, L2에서 L3는 입력 전압과 위상 이탈이 120도여서 3상 전력을 생성하게 된다. 그러나 전류 주입, 특수 아이들러 권선 또는 기타 조절 수단이 없으면 부하가 가해질 때 전압이 처진다.

전력 요인 보정은 RPC를 구축하거나 선택할 때 매우 중요한 고려 사항이다. 이는 전력 인자 보정이 있는 RPC는 위상 변환기와 그 부하에 전원을 공급하는 단상 서비스로부터 전류를 덜 소비하기 때문에 바람직하다.

3상 출력의 주요 문제는 각 위상이 유사한 전압에 있다는 것이다. 위상 간의 불일치는 위상 불균형이라고 알려져 있다. 일반적인 지침으로 전압 변동에서 4%를 초과하는 불균형 3상 출력은 작동 예정 장비에 손상을 줄 수 있다.

역사

위상 변환기가 있는 첫 번째 기관차(시범용만 해당)
칸도 위상 변환기(1933년)
위상변환기를 이용한 최초의 기관차 「칸도」의 기관차.

20세기 초에는 전기 철도 견인 전류 시스템의 두 가지 주요 원칙이 있었다.

  1. DC 시스템
  2. 16⅔ Hz 단상 시스템

이 시스템들은 직렬 와운드 견인 모터를 사용했다. 이들 모두는 표준 50Hz 전기망에서 전력을 공급받기 위해 분리된 공급 시스템이나 변환기가 필요했다.

칸도 동기 위상 변환기

칸도 칼만 전기 견인 시스템은 표준 전기 네트워크로부터 단상 50Hz의 전력으로 공급되어야 하며, 견인 모터의 경우 기관차 내에서 3상 전력으로 전환되어야 한다는 것을 인식했다.

그는 동기 위상 변환기라고 불리는 전기 기계를 만들었는데, 그것은 단상 동기식 모터와 공통 스테이터와 로터가 있는 3상 동기식 발전기였다.

그것은 두 개의 독립적인 권선을 가지고 있었다.

  • 외부 권선은 단상 동기식 모터다. 모터는 오버헤드 라인에서 동력을 얻는다.
  • 내측 권선은 3상(또는 가변상) 동기식 발전기로, 3상(또는 그 이상) 위상 견인 모터에 동력을 제공한다.

단상 공급

표준 전기 네트워크로부터의 직접 공급은 시스템을 이전 시스템보다 덜 복잡하게 만들고 간단한 회수를 가능하게 한다.

단상 피드를 사용하면 단일 오버헤드 라인을 사용할 수 있다. 오버헤드 노선이 많을수록 비용이 증가하며, 열차의 최대 속도를 제한한다.

스피드 컨트롤

비동기식 트랙션 모터는 공급 전류와 부하 토크의 주파수로 결정되는 단일 RPM으로 구동될 수 있다.

해결책은 위상 변환기에 2차 권선을 더 많이 사용하고 모터에 더 많은 권선을 사용하는 것이었습니다.

종류들

회전 위상 변환기(RPC)는 모터-제너레이터 세트로 제작될 수 있다. 이것들은 단상 공급으로부터 하중을 완전히 격리시키고 균형 잡힌 3상 출력을 생성한다. 그러나 무게, 비용, 효율성 문제로 인해 대부분의 RPC는 이런 방식으로 구축되지 않는다.

그 대신 3상 유도모터나 발전기로 만들어지는데, 공회전기라고 하는 단자(공회전기 입력) 중 2개가 단상선에서 동력을 공급받는다. 모터의 회전 유속이 세 번째 단자에서 전압을 생성한다. 첫 번째 두 단자 사이의 전압에서 위상 이동되는 세 번째 단자에서 전압이 유도된다. 3회전 모터에서는 권선 2개가 모터 역할을 하고, 3회전 1개가 발전기 역할을 하고 있다. 출력 중 2개는 단상 입력과 동일하기 때문에 위상관계는 180° 이로써 합성 위상은 입력 단자에서 +/-90°가 된다. 이 비이상 위상 관계는 위상 변환기에 의해 구동되는 모터의 약간의 전력 감소가 필요하다. 또한 세 번째 합성 위상은 다른 두 단계와 다르게 추진되기 때문에 부하 변화에 대한 반응이 다를 수 있으므로 이 위상이 부하에서 더 처지게 될 수 있다. 유도 모터는 전압 불균형에 민감하기 때문에 이러한 유형의 위상 변환기에 의해 구동되는 모터의 디레이팅에 있어 또 다른 요인이다. 예를 들어 위상 전압의 5%의 작은 불균형은 훨씬 큰 24%의 모터 정격 전력 감소를 요구한다.[1] 따라서 최대 부하에서 동일한 위상 전압에 대해 회전 위상 컨버터 회로를 튜닝하는 것이 상당히 중요할 수 있다.

전력 품질

RPC나 어떤 위상 변환기에서 발생하는 전력의 품질에 대한 일반적인 척도는 전압 밸런스인데, 이는 RPC가 3상 모터와 같은 균형 부하를 구동하는 동안 측정할 수 있다. 기타 품질 측정에는 효용에서 볼 수 있는 RPC 모터 조합의 출력 계수 및 생산 전원의 조화 함량이 포함된다. 어떤 용도로도 최상의 위상 변환기의 선택은 이러한 요인에 대한 부하 감도에 따라 달라진다. 3상 유도 모터는 전압 불균형에 매우 민감하다.

그러한 위상 변환기에 의해 발생하는 3상 전력의 품질은 다음을 포함한 여러 요인에 따라 달라진다.

  • 위상 변환기의 전력 용량(유휴 마력 정격).
  • 공급되는 장비의 전원 수준 요구. 예를 들어, 과부하 기계 또는 웰 펌프와 같은 "하드 스타트" 하중은 동일한 마력으로 정격된 다른 하중보다 높은 요건을 가질 수 있다.
  • 공급되는 장비의 전력 품질 요구(CNC 장비는 용접 기계보다 더 엄격한 전력 품질 요구 사항이 있을 수 있음)
  • 세 다리 사이의 전압을 조정하는 기법 사용.

품질향상

RPC 제조업체들은 이러한 문제들을 다루기 위해 다양한 기술을 사용한다. 그 기술들 중 일부는 다음과 같다.

  • 특정 부하에서 전력의 균형을 맞추기 위해 단자 사이에 캐패시터를 삽입하는 것.
  • 부하보다 전력 정격이 높은 공회전 장치 사용.
  • 세 번째 단자에 더 많은 권선을 가진 특수 아이들러 모터의 건설은 전압을 증가시키고 부하로 인한 사지를 보상한다.
  • 시동 중 또는 다른 방법으로 부하에 따라 캐패시터를 전환하기 위한 전자 장치 사용.
  • 필터 사용.

사용하다

일반

3상 모터의 사용으로 위상 변환기에 대한 수요가 존재한다. 출력이 증가함에 따라, 3상 모터는 단상 모터보다 선호되는 특성을 가지고 있다. 단상 모터는 15 hp(11 kW) 이상의 크기로는 사용할 수 없으며, 사용 가능하기는 하지만 5 hp(3.7 kW)보다 큰 경우는 드물다.(3상 모터는 출발과 관련하여 효율이 높고 복잡성이 감소하며, 3상 출력은 유의하다.사용할 수 없는 경우 사용 가능하지 않음)

전기 철도

회전 위상 변환기는 전기 철도에서 단일 오버헤드 도체를 위한 단상 생산에 사용된다.[citation needed] 50Hz에서 전기3상 AC인 유럽 5개국(독일, 오스트리아, 스위스, 노르웨이, 스웨덴)은 철도 전기화를 위해 15 kV 16+23 Hz의 단상 AC에 표준화한 바 있다. 따라서 위상 변환기는 위상과 주파수를 모두 바꾸는 데 사용된다. 소비에트 연방에서는 AC 기관차에 사용되어 단상, 트랙션 모터 냉각 블로어 등을 위한 유도 모터 구동용 50Hz에서 3상까지 변환하였다.[2]

로터리 컨버터

단상 전력 공급에 대한 3상 장비 운용을 위한 회전 위상 변환기에 대안이 존재한다.

정적 위상 변환기

이는 다상 전력 그 자체보다는 당면한 문제가 모터를 시동하는 대안이 될 수 있다. 정적 위상 변환기는 3상 모터를 시동하는 데 사용된다. 그 후 모터는 합성된 3극으로 단상 위에서 작동한다. 그러나, 이는 전력 균형을 조정하고, 따라서 모터 효율이 극도로 저하되어 모터의 등급을 해제해야 한다(일반적으로 60% 이하). 모터 과열, 그리고 모터의 파괴는 그렇게 하지 않음으로 야기될 것이다. (많은 제조업체와 딜러점들은 특히 정적 컨버터를 사용하면 어떠한 보증도 무효화 될 것이라고 명시한다.) 크기가 큰 정적 컨버터는 모터의 감속 필요성을 없앨 수 있지만 비용이 증가한다.

인버터 드라이브(VFD)

가변 주파수 드라이브(VFD)의 인기는 지난 10년간 특히 홈샵 시장에서 증가했다. 이는 상대적으로 낮은 비용과 단상 입력에서 3상 출력을 생성하는 능력 때문이다. VFD는 AC 전원을 DC로 변환한 다음 트랜지스터 브리지를 통해 다시 AC로 변환하는데, 이는 스위치 모드 전원 공급기와 다소 유사한 기술이다. VFD는 DC 버스에서 AC 출력을 생성하므로 단상 소스에서 3상 모터를 구동할 수 있다. 그럼에도 불구하고 3상 입력이 필요한 상업용 등급 VFD는 그러한 약정을 통해 얻을 수 있는 효율적 이득이 있기 때문에 생산된다.

일반적인 VFD는 트랜지스터를 빠르게 켜고 꺼서 펄스 폭 변조(PWM)라고 알려진 것을 통해 DC 버스의 전압을 "초핑"하는 방식으로 기능한다. PWM을 적절히 사용하면 전압과 주파수가 상당히 넓은 범위에서 변화할 수 있는 AC 출력이 발생한다. 유도 모터의 회전 속도는 입력 주파수에 비례하므로 VFD의 출력 주파수의 변화는 모터 속도를 변화시킨다. 또한 전압은 모터에서 유용한 속도 범위에서 비교적 일정한 토크를 생성하는 방식으로 변경된다.

품질 VFD의 출력은 사인파의 근사치로, 일부 고주파 고조파 함량이 있다. 조화성 함량은 모터 온도를 상승시킬 것이며 불쾌할 수 있는 휘파람 소리 또는 징징거리는 소음을 발생시킬 수 있다. 원하지 않는 고조파의 영향은 더 나은 품질의 VFD에 통합되는 반응성 출력 필터링을 사용함으로써 완화될 수 있다. 반응성 여과 기능은 고주파 고조파 함량을 방해하지만 모터 속도를 결정하는 기본 주파수에는 거의 영향을 미치지 않는다. 그 결과 이상적인 사인파에 가까운 모터로 출력된다.

과거에는 용량이 3hp(2.2kW) 이상인 VFD가 비용이 많이 들어 회전 위상 변환기(RPC)가 매력적인 대안이 됐다. 그러나 현대의 VFD는 원가가 상당히 떨어져 비교 가능한 RPC보다 더 저렴해졌다. 또한 VFD에서 일하는 것은 전기 용량에 비해 더 작은 크기라는 것이다. 플러스는 많은 VFD가 (모터에 전원이 점진적으로 공급되는) "소프트 스타트" 효과를 낼 수 있다는 점으로, 기계 시동 시에 전달해야 하는 전류의 양을 감소시킨다.

VFD를 사용하면 모터가 그러한 응용 프로그램에 대한 정격이 아닌 경우 모터가 손상될 수 있다. 이는 대부분의 유도 모터가 모터 자체에 의해 구동되는 팬이나 블로워에 의해 강제 공기로 냉각되기 때문이다. 그러한 모터를 정상 속도보다 낮은 속도로 작동하면 냉각 기류가 상당히 감소하여 특히 최대 부하로 작동하는 동안 과열 및 구불구불한 손상 또는 고장 가능성이 증가한다. 제조자는 모터가 "인버터 등급"이 아닌 한 VFD로 구동되는 모터에 대한 보증을 무효화할 수 있다. VFD는 새로운 상업용 설비에서 모터에 동력을 공급하는 가장 인기 있는 방법이기 때문에, 오늘날 판매되는 대부분의 3상 모터는 사실 인버터 등급이다.

참고 항목

참조

  1. ^ "Voltage Imbalance - Derating Factor in Polyphase Motors". engineeringtoolbox.com. The Engineering Toolbox. Retrieved 17 November 2019.
  2. ^ Захарченко Д.Д., Ротанов Н.А. "Тяговые электрические машины" (Traction electrical мachinery) Москва, Транспорт, 1991 - 343 p., p.231