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가변 주파수 구동

Variable-frequency drive
소형 가변 주파수 구동
위의 VFD 섀시(커버 제거)

가변 주파수 구동(VFD)은 모터 입력 주파수를 변화시켜 AC 모터 속도와 토크를 제어하고, 위상에 따라 관련 전압 또는 전류 변동을 제어하기 위해 전기 기계식 구동 시스템에 사용되는 모터 드라이브의 일종이다.[1][2][3][4][5]VFD는 'AFD'(조정 가능한 주파수 드라이브), 'ASD'(조정 가능한 속도 드라이브), 'VSD'(가변 속도 드라이브), 'AC 드라이브', '마이크로 드라이브', '인버터 드라이브' 또는 단순히 '드라이브'라고도 할 수 있다.

VFD는 소형 어플라이언스에서 대형 압축기에 이르기까지 다양한 애플리케이션에 사용된다.점점 더 많은 최종 사용자들이 더 엄격한 배출 표준과 향상된 신뢰성과 가용성에 대한 수요로 인해 전기 구동 시스템에 더 큰 관심을 보이고 있다.[6]VFD를 사용하는 시스템은 팬용 펌프 및 댐퍼 제어와 같은 유체 흐름 조절 제어를 사용하는 시스템보다 더 효율적일 수 있다.[7]그러나 VFD의 모든 애플리케이션에 대한 글로벌 시장 침투는 상대적으로 적다.

지난 40년간 전력전자 기술은 VFD 비용과 크기를 줄이고 반도체 전환장치, 구동 토폴로지, 시뮬레이션 및 제어 기술, 제어 하드웨어 및 소프트웨어 분야의 발전을 통해 성능을 향상시켰다.

VFD는 다양한 저전압 및 중전압 AC-AC 및 DC-AC 토폴로지로 만들어진다.

시스템 설명 및 작동

VFD 시스템

가변 주파수 드라이브는 AC 모터, 메인 드라이브 컨트롤러 어셈블리 및 드라이브/오퍼레이터 인터페이스의 세 가지 주요 하위 시스템으로 구성된 드라이브 시스템에서 사용되는 장치다.[2]: 210–211 [4]

AC 모터

VFD 시스템에 사용되는 AC 전기 모터는 대개 3상 유도 모터다.단상모터나 동기모터의 어떤 형태는 어떤 상황에서는 유리할 수 있지만, 일반적으로 3상유도모터가 가장 경제적인 것으로 선호된다.고정 속도 작동을 위해 설계된 모터가 자주 사용된다.VFD가 공급하는 유도 모터에 가해지는 높은 전압 응력은 그러한 모터를 NEMA 표준 MG-1의 파트 31과 같은 요건에 따라 특정 목적 인버터 공급 듀티용으로 설계할 것을 요구한다.[8]

제어기

VFD 컨트롤러는 정류기 브리지 컨버터, 직류(DC) 링크, 인버터 등 3개의 구별되는 하위 시스템으로 구성된 솔리드 스테이트 전력 전자장치 변환 시스템이다.전압 소스 인버터(VSI) 드라이브(아래 '일반 토폴로지' 하위 섹션 참조)는 단연코 가장 일반적인 유형의 드라이브다.대부분의 드라이브는 AC 라인 입력을 AC 인버터 출력으로 변환한다는 점에서 AC-AC 드라이브다.그러나 일반적인 DC 버스나 태양열 애플리케이션과 같은 일부 애플리케이션에서는 드라이브가 DC-AC 드라이브로 구성된다.VSI 드라이브의 가장 기본적인 정류기 컨버터는 3상 6펄스 전파 다이오드 브리지로 구성된다.VSI 드라이브에서 DC 링크는 컨버터의 DC 출력 리플을 부드럽게 하고 인버터에 경직된 입력을 제공하는 콘덴서로 구성된다.이 여과된 DC 전압은 인버터의 활성 스위칭 요소를 사용하여 준시누사이드 AC 전압 출력으로 변환된다.VSI 드라이브는 위상 제어 전류 소스 인버터(CSI) 및 로드 커밋 인버터(LCI) 드라이브보다 높은 전력 계수와 낮은 고조파 왜곡을 제공한다(아래 '일반 토폴로지' 하위 섹션 참조).드라이브 컨트롤러는 단상 변환기 입력과 3상 인버터 출력을 갖는 위상 변환기로도 구성할 수 있다.[9]

제어기의 발전은 지난 60년 동안 전압과 전류 정격의 급격한 증가와 솔리드 스테이트 전력 소자의 스위칭 주파수를 이용했다.1983년에 도입된 IGBT는 지난 20년 동안 VFD를 인버터 스위칭 소자로 지배하게 되었다.[10][11][12][13]

Hertz(V/Hz) 드라이브 제어에 적합한 가변 토크 애플리케이션에서 AC 모터 특성은 모터에 대한 인버터 출력의 전압 크기를 선형 V/Hz 관계에서 요구되는 부하 토오크와 일치하도록 조정해야 한다.예를 들어 460 V, 60 Hz 모터의 경우 이 선형 V/Hz 관계는 460/60 = 7.67 V/Hz이다.V/Hz 제어는 광폭 애플리케이션에 적합하지만 저속 또는 요구, 동적 속도 조절, 위치 조정 및 역방향 부하 요구 사항을 포함하는 고성능 애플리케이션에서는 차선책이다.일부 V/Hz 제어 드라이브는 2차 V/Hz 모드로 작동하거나 특수한 다중 지점 V/Hz 경로에 맞게 프로그래밍할 수도 있다.[14][15]

다른 두 개의 구동 제어 플랫폼인 벡터 제어와 직접 토크 제어(DTC)는 모터 전압 크기, 기준으로부터의 각도 및 주파수를[16] 조정하여 모터의 자속과 기계적 토크를 정밀하게 제어한다.

스페이스 벡터 펄스 폭 변조(SVPWM)가 점차 대중화되고 있지만,[17] 사인파 PWM(Synuseal PWM)은 드라이브의 모터 전압(또는 전류)과 주파수를 변화시키는 데 사용되는 가장 간단한 방법이다.SPWM 제어(그림 1 참조)의 경우, 준 사인파, 가변 펄스 폭 출력은 작동 주파수뿐만 아니라 전압(또는 전류)에서도 가변적인 변조 사인파 신호가 있는 톱니형 반송파 신호의 교차점에서 구성된다.[11][18][19]

정격 명판 속도(기본 속도) 이상의 모터의 작동은 가능하지만, 모터의 명판 정격보다 더 많은 전력을 필요로 하지 않는 조건으로 제한된다.이를 "필드 약화"라고도 하며, AC 모터의 경우 정격 V/Hz 미만 및 정격 명판 속도 이상으로 작동함을 의미한다.영구 자석 동기 모터는 일정한 자속 연결로 인해 현장 감속 속도 범위가 상당히 제한되어 있다.감김-로터 동기식 모터와 유도 모터는 속도 범위가 훨씬 넓다.예를 들어 460 V, 75 Hz(6.134 V/Hz)가 공급되는 100 HP, 460 V, 60 Hz, 1775 RPM(4극) 유도 모터는 125% 속도(228.75 RPM) = 100% 출력에서 60/75 = 80% 토크로 제한된다.[20]고속에서는 모터의 이탈 토크가[a] 낮아져 유도 모터 토크가 더 제한되어야 한다.따라서 정격 출력은 일반적으로 정격 명판 속도의 130~150%까지만 생산될 수 있다.상처형 회전기 동기식 모터는 훨씬 더 빠른 속도로 작동할 수 있다.롤링 밀 드라이브에서는 기본 속도의 200-300%가 사용된다.로터의 기계적 강도는 모터의 최대 속도를 제한한다.

그림 1: SPWM 반송파-사인 입력 및 2-레벨 PWM 출력

내장된 마이크로프로세서가 VFD 컨트롤러의 전반적인 작동을 관리한다.마이크로프로세서의 기본 프로그래밍은 사용자가 접근할 수 없는 펌웨어로 제공된다.VFD, 모터 및 구동 장비를 제어, 보호 및 모니터링하기 위해 디스플레이, 가변 및 기능 블록 매개변수의 사용자 프로그래밍이 제공된다.[11][21]

기본 드라이브 컨트롤러는 다음과 같은 선택적 전원 구성 요소 및 부속품을 선택적으로 포함하도록 구성할 수 있다.

오퍼레이터 인터페이스

오퍼레이터 인터페이스는 작동자가 모터를 시동 및 정지하고 작동 속도를 조정할 수 있는 수단을 제공한다.또한 VFD는 Modbus 또는 다른 유사한 인터페이스를 통해 프로그램 가능한 로직 컨트롤러에 의해 제어될 수 있다.추가적인 운전자 제어 기능에는 후진 및 수동 속도 조정과 외부 프로세스 제어 신호로부터의 자동 제어 사이의 전환이 포함될 수 있다.오퍼레이터 인터페이스는 흔히 영숫자 표시장치 또는 표시등과 미터를 포함하며 드라이브 작동에 대한 정보를 제공한다.조작자 인터페이스 키패드와 디스플레이 장치는 위 사진과 같이 VFD 컨트롤러 전면에 제공된다.키패드 디스플레이는 종종 케이블로 연결하여 VFD 컨트롤러로부터 짧은 거리에 장착할 수 있다.대부분은 푸시 버튼, 스위치 및 기타 운영자 인터페이스 장치나 제어 신호를 연결하기 위한 입출력(I/O) 단자도 제공한다.컴퓨터를 사용하여 VFD를 구성, 조정, 모니터링 및 제어할 수 있도록 직렬 통신 포트도 종종 사용할 수 있다.[11][24][25]

스피드 컨트롤

VFD의 속도를 제어하는 두 가지 주요 방법이 있다: 네트워크와 유선 연결이다.네트워크는 Modbus, Modbus/TCP, EtherNet/IP와 같은 통신 프로토콜을 통해 또는 디스플레이 직렬 인터페이스를 사용하여 키패드를 통해 의도된 속도를 전송하는 것을 포함하며 유선 연결은 순수한 전기 통신 수단을 포함한다.유선 통신의 대표적인 수단은 4-20mA, 0-10VDC 또는 전위차계와 함께 내부 24VDC 전원 공급 장치 사용이다.속도는 또한 원격과 국지적으로 조절될 수 있다.원격 제어는 VFD가 키패드의 속도 명령을 무시하도록 지시하는 반면 로컬 제어는 VFD가 외부 제어를 무시하고 키패드만 준수하도록 지시한다.

VFD 프로그래밍

모델에 따라 전용 프로그래밍 소프트웨어, 내부 키패드, 외부 키패드 또는 SD 카드를 통해 VFD의 작동 파라미터를 프로그래밍할 수 있다.VFD는 실행 중에 대부분의 프로그래밍 변경을 차단하는 경우가 많다.설정되어야 하는 대표적인 매개변수로는 모터 명판 정보, 속도 기준 소스, 온/오프 제어 소스 및 제동 제어를 포함한다.VFD가 고장 코드와 입력 신호의 상태와 같은 디버깅 정보를 제공하는 것도 일반적이다.

시작 및 소프트웨어 동작

대부분의 VFD는 자동 시작을 사용하도록 허용한다.전원 주기 후 또는 고장이 해결된 후 또는 비상 정지 신호가 복원된 후 출력을 지정된 주파수로 구동한다(일반적으로 비상 정지는 활성 로우 로직임).VFD를 제어하는 일반적인 방법 중 하나는 자동 시작을 활성화하고 L1, L2, L3를 컨택터에 배치하는 것이다.따라서 컨택터의 전원을 켜면 드라이브가 켜지고 지정된 속도로 출력된다.드라이브의 정교함에 따라 복수의 자동 시동 동작이 개발될 수 있다. 예를 들어, 드라이브는 전원을 켤 때 자동으로 시작되지만 재설정이 완료될 때까지 비상 정지를 해제하지 않는다.

구동작동작

전기 모터 속도 토크 차트

동봉된 차트를 참조하여 구동 애플리케이션은 단일 사분원, 2 사분원 또는 4 사분원으로 분류할 수 있다. 차트의 4 사분원은 다음과 같이 정의된다.[26][27][28]

  • 사분원 I - 주행 또는 모터 작동,[29] 양의 속도와 토크로 전방 가속 사분원
  • Quadrant II - 생성 또는 제동, 정속 및 음의 토크로 전방 제동 감속 사분면
  • 사분원 III - 주행 또는 모터 작동, 음속 및 토크로 가속 사분원 역방향
  • 쿼드런트 IV - 생성 또는 제동, 역제동-음속 및 양의 토크로 사분면 발생

대부분의 적용은 가변 토크(예: 원심 펌프 또는 팬) 및 특정 상시 토크(예: 압출기) 하중과 같이 사분면 I에서 작동하는 단일 사분원 하중을 포함한다.

어떤 용도는 속도가 양수지만 팬이 자연적인 기계적 손실보다 빠르게 감속하는 경우처럼 토크가 극성을 바꾸는 사분원 I 및 II에서 작동하는 2사분원 부하를 포함한다.일부 소스는 속도와 토크가 양방향에서 동일한 극성(양극성 또는 음극성)인 사분원 I 및 III에서 작동하는 부하로 정의한다.

어떤 고성능 애플리케이션은 호이스트, 엘리베이터 및 언덕 컨베이어와 같은 어떤 방향으로도 속도와 토크가 있을 수 있는 사분원 하중(사분원 I ~ IV)을 포함한다.재생은 인버터 전압이 모터 백-EMF보다 크기가 작고 인버터 전압과 백-EMF가 동일한 극성이어야 드라이브의 DC 링크 버스에서만 발생할 수 있다.[30]

모터를 시동할 때, VFD는 처음에는 낮은 주파수와 전압을 적용하여 직접 온라인 시동과 관련된 높은 인러시 전류를 피한다.VFD가 시작된 후에는 적용된 주파수와 전압이 제어된 속도로 증가하거나 부하를 가속화하기 위해 상승한다.이 시동 방법은 일반적으로 VFD가 저속 범위에서 주전원에서 정격 전류의 50% 미만을 끌어오는 동안 모터가 정격 토크의 150%를 개발할 수 있도록 한다.VFD를 조정하여 정지 상태에서 최대 속도까지 150%의 출발 토크를 안정적으로 생성할 수 있다.[31]그러나 모터 냉각이 악화되고 속도가 감소하여 별도의 모터 구동식 팬 환기 없이는 대개 상당한 토크를 가진 저속 운전이 가능하지 않을 정도로 과열이 발생할 수 있다.

VFD의 경우 정지 순서는 출발 순서와 정반대다.모터에 인가되는 주파수와 전압은 제어된 속도로 하강한다.주파수가 0에 가까워지면 모터가 차단된다.소량의 제동 토크는 단순히 모터를 끄고 타력 주행 시 정지할 때보다 하중을 약간 더 빠르게 감속할 수 있도록 도움을 준다.제동 에너지를 소멸시키기 위해 제동 회로(트랜지스터에 의해 제어되는 저항기)를 추가하면 추가 제동 토크를 얻을 수 있다.4사분원 정류기(활성 프런트 엔드)를 사용하여 VFD는 역방향 토크를 적용하고 에너지를 AC 라인에 다시 주입하여 부하를 제동할 수 있다.

혜택들

에너지 절약

AC 라인 전력에서 직접 공급되는 많은 고정 속도 모터 부하 애플리케이션은 VFD를 통해 가변 속도로 작동할 때 에너지를 절약할 수 있다.이러한 에너지 비용 절감은 특히 가변 토크 원심형 팬과 펌프 애플리케이션에서 두드러지는데, 각 속도에서 사각형과 큐브에 따라 부하 토크와 출력이 각각 다르다.이러한 변화는 비교적 적은 속도 감소를 위해 고정 속도 운전과 비교해 큰 전력 감소를 제공한다.예를 들어, 63% 속도에서 모터 부하가 최대 속도 전력의 25%만 소비한다.이 감소는 다양한 원심 부하 변수들 사이의 관계를 정의하는 친화력 법률에 따른 것이다.

미국에서는 전기 에너지의 60~65%가 모터 공급에 사용되며, 그 중 75%가 가변 토크 팬, 펌프, 압축기 부하다.[32]미국의 4000만 모터에 사용되는 에너지의 18%는 VFD와 같은 효율적인 에너지 개선 기술로 절약할 수 있다.[33][34]

AC 모터의 전체 설치 기반 중 약 3%만이 AC 드라이브를 갖추고 있다.[35]다만 새로 설치한 모터의 30~40%에 달하는 모터에 드라이브 기술이 채택된 것으로 추정된다.[36]

AC 모터 설치 전지구 모집단의 에너지 소비량 분석은 다음 표와 같다.

전 세계 모터 인구, 2009년[37]
작다 범용 - 중간 크기 큰
힘 10 W - 750 W 0.75kW - 375kW 375kW - 10000kW
위상, 전압 1-ph, <240V> 3-ph, 200V~1kV 3-ph, 1 kV ~ 20 kV
총 모터 에너지 비율 9% 68% 23%
총주식 20억 2억 3천만 160만

제어성능

AC 드라이브는 산업 및 상업 애플리케이션의 가속, 흐름, 모니터링, 압력, 속도, 온도, 장력 및 토크의 프로세스 및 품질 개선을 위해 사용된다.[38]

고정 속도 부하로 인해 모터는 높은 시동 토크와 최대 부하 전류의 최대 8배인 전류 서지가 발생한다.대신에 AC 드라이브는 기계 및 전기적 스트레스를 완화하기 위해 모터를 점차 작동 속도로 증가시켜 유지 보수 및 수리 비용을 절감하고 모터와 구동 장비의 수명을 연장한다.

또한 가변속 구동 장치는 기계 및 전기적 스트레스를 더욱 최소화하기 위해 특수한 패턴으로 모터를 구동할 수 있다.예를 들어 보다 부드러운 감속과 가속 제어를 위해 컨베이어 어플리케이션에 S-곡선 패턴을 적용할 수 있어 컨베이어가 가속 또는 감속할 때 발생할 수 있는 백래시를 줄일 수 있다.

AC 드라이브보다 DC 드라이브 사용을 선호하는 성능 요소에는 저속에서의 연속 작동, 재생이 가능한 4사분원 작동, 빈번한 가속 및 감속 루틴 및 모터의 위험 구역 보호 필요성과 같은 요구사항이 포함된다.[39]다음 표는 특정 키 매개변수에 따라 AC와 DC 드라이브를 비교한다.[40][41][42]

구동형 DC AC VFD AC VFD AC VFD AC VFD
제어 플랫폼 브러시 유형 DC V/Hz 제어 벡터 제어 벡터 제어 벡터 제어
제어 기준 폐쇄 루프 오픈 루프 오픈 루프 폐쇄 루프 오픈 루프 w. HFI^
모터 DC IM IM IM 인테리어 PM
일반 속도 조절(%) 0.01 1 0.5 0.01 0.02
일정한 토크에서 일반적인 속도 범위(%) 0-100 10-100 3-100 0-100 0-100
100% 토크에서 최소 속도(기본값의 %) 정지 8% 2% 정지 정지(200%)
다중 모터 작동 권장 아니요. 네 아니요. 아니요. 아니요.
고장 보호(드라이브에만 사용되거나 드라이브에 고유한 기능) 퓨전 전용 내재적 내재적 내재적 내재적
유지 관리 (브러쉬) 낮음 낮음 낮음 낮음
피드백 장치 타코미터 또는 인코더 해당 없음 해당 없음 인코더 해당 없음

^ 고주파수 주입

VFD 유형 및 등급

일반 토폴로지

VSI 드라이브의 토폴로지
CSI 드라이브의 토폴로지
6단계 구동 파형
다이렉트 매트릭스 컨버터의 위상

AC 드라이브는 다음과 같은 일반적인 토폴로지에 따라 분류할 수 있다.[c][43][44]

  • 전압 소스 인버터(VSI) 드라이브 토폴로지(이미지 참조):VSI 드라이브에서 다이오드 브리지 컨버터의 DC 출력은 인버터에 경직된 전압 입력을 공급하기 위해 콘덴서 버스에 에너지를 저장한다.대부분의 드라이브는 PWM 전압 출력이 있는 VSI 유형이다.[d]
  • CSI(Current-source inverter) 드라이브 토폴로지(이미지 참조):CSI 드라이브에서 SCR-브리지 컨버터의 DC 출력은 인버터에 경직된 전류 입력을 공급하기 위해 직렬 인덕터 연결로 에너지를 저장한다.CSI 드라이브는 PWM 또는 6단계 파형 출력 중 하나로 작동할 수 있다.
  • 6단계 인버터 드라이브 토폴로지(이미지 참조):[e][45]이제 거의 구식인 6단계 드라이브는 VSI 또는 CSI 유형일 수 있으며 가변 전압 인버터 드라이브, PAM(펄스 앰프 변조) 드라이브,[46] 사각파 드라이브 또는 DC 헬리콥터 인버터 드라이브라고도 한다.[47]6단 구동에서 SCR-브리지 컨버터의 DC 출력은 커패시터 버스와 직렬 리액터 연결을 통해 평활되어 달링턴 페어 또는 IGBT 인버터 준시누사이드, 6단 전압 또는 전류 입력을 통해 유도 모터로 공급된다.[48]
  • LCI(정렬 인버터)LCI 드라이브(특수 CSI 케이스)에서 SCR-브리지 컨버터의 DC 출력은 DC 링크 인덕터 회로를 통해 에너지를 저장하여 두 번째 SCR-브리지 인버터 및 과다 배출된 동기식 머신의 경직된 준시누사이드 6단계 전류 출력을 공급한다.저비용 SCR-시리스터 기반 LCI Fed 동기식 모터 드라이브는 최대 100 MW 정격의 저전력 저동적 성능의 팬, 펌프 및 컴프레서 애플리케이션에 사용되는 경우가 많다.[49]
  • 사이클로콘버터 또는 매트릭스 컨버터(MC) 토폴로지(이미지 참조):사이클로콘버터와 MC는 에너지 저장을 위한 중간 DC 링크가 없는 AC-AC 변환기다.사이클로콘버는 6펄스 구성에서 3개의 반병렬 연결 SCR 브리지를 통해 3상 전류원으로 작동하며, 각 사이클로콘버터 위상은 고정 라인 주파수 AC 전압을 가변 부하 주파수에서 교류 전압으로 변환하기 위해 선택적으로 작용한다.MC 드라이브는 IGBT 기반.
  • 이중으로 제공되는 슬립 복구 시스템 토폴로지:이중으로 공급되는 슬립회수계통은 인버터를 통해 AC 공급망에 전력을 공급하기 위해 스무딩 원자로에 정류된 슬립 전력을 공급하며, 모터의 속도는 DC 전류를 조정하여 제어된다.

제어 플랫폼

참고 항목:Dqo 변환 및 알파-베타 변환

대부분의 드라이브는 다음 제어 플랫폼 중 하나 이상을 사용한다.[43][50]

부하 토크 및 출력 특성

가변 주파수 드라이브도 다음과 같은 부하 토크 및 전력 특성에 의해 분류된다.

  • 원심 팬, 펌프 및 블로워 적용 시와 같은 가변 토크
  • 컨베이어 및 포지티브 변위 펌프 사용과 같은 일정한 토크
  • 공작기계 및 견인장치와 같은 일정한 동력.

사용 가능한 전력 정격

VFD는 광범위한 단상 및 다상 AC 모터를 포함하는 전압 및 전류 정격으로 이용할 수 있다.저전압(LV) 드라이브는 690V 이하의 출력 전압에서 작동하도록 설계되어 있다.모터-애플리케이션 LV 드라이브는 최대 5 또는 6 MW의 정격으로 제공되지만,[51] 일반적으로 경제적인 고려사항은 전력 정격이 훨씬 낮은 중전압(MV) 드라이브를 선호한다.다른 MV 드라이브 토폴로지(표 2 참조)는 주어진 전압 정격이 다음과 같은 표준 공칭 모터 전압 정격보다 크거나 같도록 다른 드라이브 컨트롤러의 스위칭 장치에[52] 사용되는 전압/전류 결합 정격에 따라 구성된다.2+3⁄4.16 kV (60 Hz) 또는 3+3⁄6.6 kV (50 Hz)이며, 최대 12 kV 스위칭 정격의 사이리스터 제조사 한 곳이 있다.일부 애플리케이션에서는 LV 드라이브와 MV 모터 부하 사이에 스텝업 변압기가 배치된다.MV 드라이브는 일반적으로 약 375 - 750 kW(503 - 1,006 hp) 이상의 모터 애플리케이션에 대한 정격이다.MV 드라이브는 역사적으로 LV 드라이브 애플리케이션에 필요한 것보다 훨씬 더 많은 애플리케이션 설계 노력이 필요했다.[53][54]MV 드라이브의 전력 정격은 100 MW(130,000 hp)에 도달할 수 있으며, 정격, 성능, 전력 품질 및 신뢰성 요구 사항에 따라 다양한 드라이브 토폴로지를 사용할 수 있다.[55][56][57]

시스템별 드라이브 및 세부 토폴로지

VFD를 다음 두 가지 분류와 관련하여 마지막으로 유용하다.

표 1: 기계별 드라이브
기계들
유도^^^
케이지 로터

CSI 또는 VSI(6단계 또는 PWM), 사이클로콘버터, 매트릭스

WRIM

전자 기계학

이중 Fed WRIM

슬립 에너지 회수(Kramer/Scherbius)

동기^^^
WFSM

CSI(LCI), 사이클로콘버터, VSI

PM

축 또는 디스크

방사상

실내

표면
사다리꼴 BLDM, 사인파 PMSM

VSI

SyRM

VSI

VRM^^
스위치 방식 저항 모터, 스테퍼 모터

VSI

표 2: AC-AC 컨버터 토폴로지별 드라이브

토폴로지

간접 AC-AC
LV
IGBT^
2-레벨 VSI PWM

LV 드라이브의 대다수가

3-레벨 VSI PWM

주로 야스카와

(SCR/CSI 또는 다이오드/VSI)+IGBT
6단계 또는 PAM

예를 들어 베이커-허그(Baker-Hughes)

엠브이
VSI
GCT^
3-레벨 NPC 인버터

주로 ABB, GE

IGBT^
2-레벨 인버터

주로 GE-콘버팀

3-레벨 NPC 인버터

주로 이튼, GE-토시바, 지멘스

멀티레벨 CHB 인버터

주로 GE, Siemens(로비콘), Toshiba

플라잉 캐패시터 인버터 드라이브

주로 GE-콘버팀

NPC/H‑Bridge 인버터 드라이브

주로 도시바

CSI
주로 ABB, GE-Converteam, Siemens
SCR^^

LCI

주로 A-B
SGCT^^(AFE 포함)

CSR PWM / CSI PWM 인버터(CME 포함)

SCR + SGCT

18-펄스 CSI PWM 드라이브

GTO^^

캐패시터 보조 CSI PWM 드라이브(레거시)

직접 AC-AC
SCR.
사이클로콘버터

ABB, Siemens, GE 컨버전스 팀

IGBT
매트릭스

주로 야스카와

표 3: 위상 다이어그램

  • 단순화된 2-레벨 인버터 토폴로지

  • 단순화된 중성점 클램프 3-레벨 인버터 토폴로지

  • 단순화된 계단식 H-브리지 인버터 토폴로지

  • 단순화된 플라잉 캐패시터 인버터 4-레벨 토폴로지

  • 단순화된 중성점 클램프 H-브릿지 인버터 토폴로지

표 1 ~ 3의 범례
^ 인버터 스위칭 장치(표준 다이오드 정류기 포함)
^^ 인버터 및 정류기 스위칭 장치
^^^ 회전 또는 선형
AFE 액티브 프런트 엔드
BLDM PM 사다리꼴 기계(브러시리스 DC 전기 모터)
CME 공통 모드 제거
CHB 캐스캐이드 H-브리지
CSI 전류 소스 인버터
CSR 전류 소스 정류기
GCT 게이트 제어 사이리스터
GTO 게이트 끄기 사이리스터
IGBT 절연 게이트 양극성 트랜지스터
LCI 하중 정류 인버터
LV 저전압
엠브이 중전압
NPC 중립 포인트 클램프
PAM 펄스 진폭 변조
PM 영구 자석
PMSM 영구 자석 동기 발전기
PWM 펄스 폭 변조
SCR. 실리콘 제어 정류기
SGCT 대칭 게이트 제어 사이리스터
SRM 스위치 방식 저항 모터
SyRM 동기저항기
VRM 가변 리턴스 머신
VSI 전압 소스 인버터
VVI 가변 전압 인버터
WFSM 상처장 동기식 기계
WRIM 상처-로터 유도 모터

적용 고려 사항

AC 라인 고조파

설명 참고 사항:[f]

반면 PWM출력, 고조파 쉽게carrier-frequency-related 필터 인덕턴스 자동차의 load,[18]에near-sinusoidal 전류 공급에 따라 필터링 될 수 있는 VFD의diode-bridge 정류기 직류 전압 출력에 따라서 고조파 전류 왜곡을 만드는 비선형 half-phase 현재 펄스 super-imposing에 의해, 그리고 v. AC라인 전압 변환합니다oltaAC 라인 입력의 ge 왜곡.전력회사에서 사용할 수 있는 크고 딱딱한 전력계통에 비해 VFD 부하가 상대적으로 작을 때, AC 그리드의 VFD 조화 왜곡의 영향은 종종 허용 한계 내에 있을 수 있다.나아가 저전압 네트워크에서는 컴퓨터와 TV 등 단상 장비에 의해 발생하는 고조파가 5차, 7차 고조파가 반상이기 때문에 3상 다이오드 브리지 고조파에 의해 부분적으로 취소된다.[65]단, 총 부하 대비 VFD 및 기타 비선형 부하 또는 AC 전원 공급기의 강성 대비 비선형 부하 또는 둘 다에 대한 비율이 비교적 큰 경우, 같은 그리드의 다른 전력 회사 고객이 사용할 수 있는 AC 전력 파형에 부정적인 영향을 미칠 수 있다.

고조파 때문에 전력회사의 전압이 왜곡되면 일반 고정 속도 AC 모터 등 다른 부하에서 손실이 증가한다.이 상태로 인해 과열 및 작동 수명 단축이 발생할 수 있다.또한 변전 변압기와 보상 캐패시터는 부정적인 영향을 받는다.특히 캐패시터는 조화 수준을 수용할 수 없을 정도로 확대할 수 있는 공명 조건을 유발할 수 있다.전압 왜곡을 제한하기 위해 VFD 부하 소유자는 고조파 왜곡을 허용 한계 이하로 줄이기 위해 필터링 장비를 설치해야 할 수 있다.또는 전력회사는 사용 중인 다량의 VFD 장비의 영향을 받는 자체 변전소에 필터링 장비를 설치하여 솔루션을 채택할 수 있다.고출력 설비에서는 다중 위상 변화형 권선이 있는 변압기에서 다중 펄스 정류기-브리지 VFD를 공급하여 고조파 왜곡을 줄일 수 있다.[66]

표준 다이오드 브리지 정류기를 IGBT 스위칭 소자 출력을 모터에 사용하는 표준 인버터를 미러링하는 양방향 IGBT 스위칭 소자 브리지로 교체하는 것도 가능하다.이러한 정류기는 액티브 인피드 컨버터(AIC), 액티브 정류기, IGBT 공급 장치(ISU), 액티브 프런트 엔드(AFE) 또는 4 사분원 작동을 포함한 다양한 지정에 의해 언급된다.PWM 제어와 적절한 입력 원자로를 사용하면 AFE의 AC 라인 전류 파형은 거의 정맥동일 수 있다.AFE는 DC 측으로부터 AC 그리드에 이르는 4 사분원 모드에서 에너지를 본질적으로 재생한다.따라서 제동 저항기가 필요하지 않으며, 모터를 제동하기 위해 드라이브가 자주 필요할 경우 드라이브의 효율이 향상된다.

두 가지 다른 고조파 완화 기법은 버스에 최소 하나의 VFD 분기 로드가 있는 공통 버스에 연결된 수동 또는 능동 필터의 사용을 이용한다.패시브 필터는 하나 이상의 저역 통과 LC 필터 트랩의 설계를 수반하며, 각 트랩은 조화 주파수(5번째, 7번째, 11번째, 13번째, . . kq+/-1, 여기서 k=integer, q=pulse number of converter)로 필요에 따라 튜닝된다.[67]

전력회사나 그 고객이 IEC나 IEEE 표준에 근거한 조화 왜곡 한계를 부과하는 것은 매우 일반적인 관행이다.예를 들어, 고객의 연결 지점에서 IEEE 표준 519 한계는 최대 개별 주파수 전압 고조파가 기본의 3% 이하, 일반 AC 전원 공급 시스템의 경우 전압 총 고조파 왜곡(THD)이 5% 이하가 되도록 요구한다.[68]

,

전환 주파수 폴드백

하나의 드라이브는 4kHz의 기본 스위칭 주파수 설정을 사용한다.드라이브의 전환 주파수( 반송파 주파수)를 줄이면 IGBT에 의해 발생하는 열을 감소시킨다.[69]

원하는 출력 주파수의 최소 10배의 반송파 주파수를 사용하여 PWM 전환 간격을 설정한다.2,000~16,000Hz 범위의 반송파 주파수는 LV [저전압, 600V AC 미만] VFD에 공통적이다.반송파 주파수가 높을수록 사인파 근사치가 좋아지지만 IGBT에서 스위칭 손실이 높아 전체적인 전력 변환 효율이 떨어진다.[70]

노이즈 스무딩

일부 드라이브에는 전환 주파수에 무작위 변동을 도입하기 위해 켤 수 있는 노이즈 스무딩 기능이 있다.이는 음향 소음을 다양한 주파수에 분산시켜 피크 소음 강도를 낮춘다.

롱 리드 효과

PWM VFD의 반송파 주파수 펄스 출력 전압은 이러한 펄스의 빠른 상승 시간을 코싱하며, 이 펄스의 전송 라인 효과를 고려해야 한다.케이블과 모터의 전송선 임피던스가 다르기 때문에 펄스는 모터 단자에서 케이블로 반사되는 경향이 있다.결과 반사는 긴 케이블 작동에 대해 DC 버스 전압의 두 배 또는 정격 라인 전압의 최대 3.1배에 해당하는 과전압을 발생시킬 수 있으며, 케이블과 모터 권선에 높은 압력을 가하고 최종 절연 고장을 일으킬 수 있다.230 V 이하의 등급의 3상 모터에 대한 절연 표준은 그러한 긴 납 과전압으로부터 적절히 보호한다.3세대 0.1마이크로초상 IGBT를 사용하는 460V 또는 575V 시스템과 인버터에서는 VFD와 모터 사이의 최대 권장 케이블 거리가 약 50m 또는 150ft이다.새롭게 등장하는 SiC MOSFET 동력 드라이브의 경우 3m의 짧은 케이블 길이에서 상당한 과전압이 관찰되었다.[71]리드 길이가 길기 때문에 발생하는 과전압에 대한 해결책으로는 케이블 길이 최소화, 반송파 주파수 낮추기, dV/dt 필터 설치, 인버터 듀티 등급 모터 사용(상승 시간이 0.1마이크로초 이하, 피크 진폭 1,600V인 펄스 트레인에 견딜 수 있도록 600V 정격인 모터 사용), LCR 로우패스 사인파 필터 설치 등이 있다.AC 드라이브를 위한 최적의 PWM 반송파 주파수 선택에는 소음, 열, 모터 절연 응력, 공통 모드 전압 유도 모터 베어링 전류 손상, 부드러운 모터 작동 및 기타 요인이 포함된다.[72][73][74][75]추가적인 고조파 감쇠는 LCR 저역-통과 사인파 필터 또는 dV/dt 필터를 사용하여 얻을 수 있다.[76][77][78][79]

모터 베어링 전류

주요 기사:축 전압

5kHz 이상의 반송파 주파수는 보호 조치를 취하지 않는 한 베어링 손상을 일으킬 가능성이 있다.[80]

PWM 드라이브는 모터 베어링에 문제를 일으킬 수 있는 고주파 공통 모드 전압 및 전류와 본질적으로 관련되어 있다.[81]이러한 고주파 전압이 베어링을 통해 접지 경로를 찾으면 베어링 볼과 베어링 레이스 사이에 금속 또는 전기 방전 가공(EDM) 스파크가 전달된다.시간이 지남에 따라 EDM 기반의 스파클링은 베어링 레이스에서 침식을 일으키며, 이는 플러싱 패턴으로 볼 수 있다.대형 모터에서 권선의 유격 캐패시턴스는 모터 샤프트 끝을 통과하는 고주파 전류의 경로를 제공하여 베어링 전류의 순환 유형을 유도한다.모터 스타터의 접지 불량으로 인해 축 대 접지 베어링 전류가 발생할 수 있다.접지력이 낮은 구동 장비를 가진 소형 모터는 고주파 베어링 전류에 취약하다.[82]

고주파 베어링 전류 손상 방지는 양호한 케이블 연결 및 접지 관행, 베어링 전류의 중단 및 소위 유도 흡수기(soft magnetic core)를 통한 공통 모드 전류 필터링 또는 감쇠의 세 가지 접근방식을 사용한다.양호한 케이블 연결 및 접지 관행에는 모터 공급을 위한 차폐형 대칭 지오메트리 전원 케이블 사용, 샤프트 접지 브러시 설치 및 전도성 베어링 그리스가 포함될 수 있다.베어링 전류는 절연 베어링과 특수 설계된 정전기 차폐 유도 모터의 설치로 중단될 수 있다.고주파 베어링 필터링 및 감쇠는 3상 위에 부드러운 자기 코어를 삽입하여 공통 모드 또는 모터 베어링 전류에 대한 고주파 임피던스를 제공하더라도 가능하다.또 다른 접근방식은 표준 2-레벨 인버터 드라이브 대신 3-레벨 인버터 드라이브 또는 매트릭스 컨버터를 사용하는 것이다.[82][83]

인버터 공급 모터 케이블의 고주파 전류 스파이크는 시설의 다른 케이블에 간섭할 수 있으므로, 그러한 인버터 공급 모터 케이블은 차폐되고 대칭 지오메트리 설계일 뿐만 아니라 신호 케이블에서 최소 50 cm 떨어진 곳에 배선되어야 한다.[84]

동적 제동

참고 항목:동적 제동 및 회생 제동

드라이브에 의해 발생하는 토크는 유도 모터가 동기 속도에서 슬립을 뺀 속도로 작동하게 한다.부하가 동기 속도보다 모터를 더 빨리 구동하면 모터가 발전기 역할을 하여 기계적 전력을 다시 전원으로 변환시킨다.이 전원은 드라이브의 DC 링크 소자(케이퍼시터 또는 원자로)로 반환된다.DC 링크 연결 전자 전원 스위치 또는 제동 DC 헬리콥터는 저항기 집합의 열로서 이 전력의 분산을 제어한다.냉각 팬은 저항기 과열을 방지하기 위해 사용할 수 있다.[28]

동적 제동은 제동에너지를 열로 변환시켜 폐기한다.반면 회생 드라이브는 이 에너지를 AC 라인에 주입하여 제동 에너지를 회수한다.그러나 재생 드라이브의 자본 비용은 비교적 높다.[85]

재생 드라이브

재생 전력을 필터링하는 캐패시터(상단 실린더) 및 인덕터가 부착된 라인 재생 가변 주파수 드라이브.
인기 있는 EHV를[86] 위한 간소화된 드라이브 도식

회생 AC 드라이브는 지정된 모터 속도(재분해 부하)보다 빠르게 움직이는 부하에 대한 제동 에너지를 회수하여 전력 시스템으로 되돌릴 수 있는 용량을 갖는다.

사이클로콘버터, 셰르비우스, 매트릭스, CSI 및 LCI 드라이브는 기본적으로 부하에서 라인으로의 에너지 회수를 허용하는 반면, 전압 발생 인버터는 공급으로 에너지를 되돌리기 위해 추가 변환기가 필요하다.[87][88]

재생 시스템의 추가 비용 대비 복구된 에너지의 가치가 큰 VFD에서,[87] 그리고 시스템이 잦은 제동 및 시동이 필요한 경우에만 재생이 유용하다.재생 VFD는 하중 분해의 속도 제어가 필요한 곳에 널리 사용된다.[2][3][89]

몇 가지 예:

  • 제조를 위해 컨베이어 벨트를 구동하며, 몇 분마다 정지한다.정지된 상태에서 부품이 올바르게 조립되고, 일단 조립이 완료되면 벨트가 움직인다.
  • 호이스트 모터가 자주 정지하고 후진하는 크레인, 하강 중 부하를 늦추기 위해 제동이 필요하다.
  • 모든 유형의 플러그인 및 하이브리드 전기 자동차(이미지 및 하이브리드 시너지 드라이브 참조)

참고 항목

메모들

  1. ^ NEMA Guide는 모터의 브레이크어웨이 토크를 '컨트롤로 작동할 때 모터가 0 속도로 생성하는 토크'로 정의하고, 모터의 브레이크어웨이 토크는 '속도의 급격한 하락 없이 사인파 출력의 정격 주파수에서 정격 전압을 인가하여 개발하는 최대 토크'로 정의한다.
  2. ^ 시간 t에 관하여 전압 V의 파생 모델로 정의되는 수학 기호 dV/dt는 전압 상승률의 측정을 제공하며, 최대 허용 값은 빠른 전압 변화로 인한 고전류 또는 전압 스파이크를 견딜 수 있는 커패시터, 모터 및 기타 영향을 받는 회로 요소의 능력을 나타낸다. dV/dt는 일반적으로V/마이크로초 단위로 표시됨.[22]
  3. ^ 위상은 전력 전자 장치 용어로 AC 드라이브의 다양한 요소 사이의 관계라고 정의된다.
  4. ^ PWM이라는 용어는 VSI-PWM이라는 뜻으로 자주 사용되는데, 이는 VSI 드라이브에만 PWM 출력이 있는 것이 아니라 오해의 소지가 있다.
  5. ^ 6단계라는 용어는 일부 드라이브가 6단계와 PWM 옵션을 결합하여 구성되는 PWM을 대체하는 인버터 파형 출력을 엄격히 말한다.
  6. ^ 다음의 고조파 처리 방법은 단순화 이유로 LV VSI-PWM 드라이브로 제한된다.

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