Transcript AC 드라이브 - K

AC 드라이브 일반
드라이브, 모터 &
파워일렉트로닉스
© ABB Group - 1 4-Jul-16
AC drive training
program
Basics to
© ABB Group - 2 4-Jul-16
AC drives
목차

송배전 시스템

모터 종류 및 응용 분야

속도 제어 방법

왜! AC 드라이브를 사용하는가?

AC 드라이브 기술

왜! 드라이브를 선택하는가?
Basics to
송배전 시스템
AC drives

배전 시스템



© ABB Group - 3 4-Jul-16

AC (비동기 전류)

3상

1상

50/60Hz
DC (직류)
전압

저압 < 1000 VAC

고압(MV/HV) >1000 VAC
네트워크 시스템 (접지 시스템)

IT 네트워크 (절연
네트워크/insulated network)

TN 네트워크 (Earthed network ,
earthing in the system point)

TT 네트워크 (Earthed network,
earthing in local points)
Basics to
© ABB Group - 4 4-Jul-16
AC drives
송배전 시스템
Basics to
모터 종류
AC drives

다양한 종류의 모터 존재 (motor types)

AC 모터

© ABB Group - 5 4-Jul-16

비동기 모터

농형 유도 전동기

슬립링 모터(Slip ring motor)
동기 모터

영구자석형

계자 분리형

DC 모터

서보 모터

AC 서보

brushless 서보

DC 서보

스텝퍼 모터

반작용 모터(Reluctance motors)

기타
© ABB Group - 6 4-Jul-16
Basics to
AC drives
모터 종류
Basics to
AC drives
모터 Basic
개발

DC 모터: 1861

© ABB Group - 7 4-Jul-16

Jedlik, Orstedt, Farraday
AC 모터: 1887

Tesla, Ferraris,

Dabrowolski: AEG

Wenstrom: ASEA, 3상
유도전동기

Brown: BBC
Basics to
© ABB Group - 8 4-Jul-16
AC drives
모터 Basic
DC 발전기
3상 전압
Basics to
AC drives
모터 Basic
1 사이클
U상
3상교류
V상
W상
(전류)
U1
V1
W1
＇
W1
V1
자계의 ＇
방향
U1
＇
유도 전동기
(a)
3상 교류와 자계의 방향
U
© ABB Group - 9 4-Jul-16
V
W
삼상 모터에서는 자석을 돌리는 대신에 삼상 교류를 사
용해서 회전하는 자석, 즉【회전 자계】를 만듬
Basics to
AC drives
모터 제어 방식
(rpm)
극수
大
© ABB Group - 10 4-Jul-16
극수를 변경하는 방식
(극수 변환 모터)
부하
토오크
전동기의 발생 토오크와
부하 토오크와의
교차점이
운전속도가 됩니다.
주파수
小
전압 小
2차저항
大
슬립을 변경하는 방식
슬립을 변경하는 방식
(1차 전압제어)
(2차 저항제어)
주파수를 변경하는 방식
(1차 주파수 제어)
(드라이브)
Basics to
AC drives
AC 모터 테크놀로지
농형 유도전동기
 튼튼한 구조
 정류자 및 슬립링 없음
 전폐형
 자체 또는 별도 순환 방식
© ABB Group - 11 4-Jul-16
 악조건 환경에서 더욱 유리
Basics to
© ABB Group - 12 4-Jul-16
AC drives
유도전동기의 토오크/속도 곡선-DOL
비동기 모터
동기 모터
Basics to
AC drives
유도전동기의 주요 변수
ns[ rpm ] 
f [ Hz ] *120
극수
P
T  9550 *
n
f  주파수[ Hz ]
n  속도[r / min]
T  토오크[ Nm]
© ABB Group - 13 4-Jul-16
P  출력[kW ]
Basics to
AC drives

AC 드라이브는 농형 유도전동기 구동에 사용 가능

AC 드라이브는 PM 동기전동기 및 서보모터에 사용
가능(brushless & AC servo)


옵션

호환성 확인
하기 모터 적용 불가

© ABB Group - 14 4-Jul-16
AC 드라이브 및 모터
리니어 모터, 스텝퍼 모터, 반작용 모터, 기타.
Basics to
가변속 구동의 종류 및 용도
AC drives
Power/kW
10 000
Medium Voltage AC
1000
Pumps
100
10
1
© ABB Group - 15 4-Jul-16
0.1
Centrifuges
DC
Paper machines
Metallurgy
Fans
Cranes
processes
Printing
Mixers
machines
Conveyors
HVAC
Textile machines
Servo
Packaging machines
AC
Robots
Machine Tools
Performance
Basics to
AC drives
가변속 구동장치 적용분야
Food & Drink
10%
Rubber &
Plastic
11%
Others
25%
HVAC
6%
© ABB Group - 16 4-Jul-16
Crane & Lift
6%
Water
6%
Chemical
7%
Metal
processing
9%
Paper &
Printing &
Packaking
10%
Machine tools
& Robots
10%
Basics to
AC drives
미 적용 분야
AC motors with and without AC drive
With
AC drive
3%
© ABB Group - 17 4-Jul-16
Without
AC drive
97 %
Basics to
© ABB Group - 18 4-Jul-16
AC drives
AC 드라이브 및 모터 응용 분야
Fans
Conveyors
Winders
Roller tables
Spinning
Pumps
Cranes
Paper machine
Offshore
Ski lifts
Debarking drums
Centrifuges
Propulsion
Drilling
Decanters
Windmills
Kilns
Extruders
Compressors
Basics to
© ABB Group - 19 4-Jul-16
AC drives
프로세스 제어 방법 – 펌프 (예)
Basics to
AC drives
가변속 제어 비교
방법
전기식
AC 드라이브
DC 드라이브
다이어그램
n1
3
유체식
유체식 모터
유체 커플링
기계식
벨트 구동
기어
n1
M
3
3
=
3
n2
M
=
© ABB Group - 20 4-Jul-16
출력 범위
속도 범위
제어 정도
효율
노이즈
설치 면적
유지/보수 비용
n
0,1 ...10 000 kW
1:20...1000 (n = 0)
매우 높음
아주 좋음
낮음
중간
낮음
M
3
n
n1
n1
n2
n2
0,1 ...200 kW
1:10
낮음
좋음~아주 좋음
중간
낮음
중간
0,1...20000 kW
1:10
중간~좋음
나쁨~중간
높음
낮음
중간
n2
Basics to
AC drives
속도 제어 방법 - 펌프 (예)
기계식 제어 장치
M
3~
n1
n2
유체 커플링
M
3~
DC 드라이브
© ABB Group - 21 4-Jul-16
AC 드라이브
전기장치 설치 위치
~
=
M
~
3~
~
M
공정 실행 영역
Basics to
AC drives

유도전동기의 토오크/속도 곡선
고정 전압/주파수 인가 시
ns
ns
nr
ns
nr
nr
토오크 (Torque)
Plugging
Motoring
Regeneration
역상제동
전동
회생제동
최대토오크 Tmax
기동토오크 Tst
© ABB Group - 22 4-Jul-16
2
-1
1
0
Slip
Speed
동기속도: ns=120.f/P (rpm)
Slip 슬립: s=1-n/ns (p.u)
0
1
동기속도 ns
속도(p.u) n/ns
Basics to
농형 유동전동기의 속도 및 토오크 곡선
토오크
AC drives
Tmax
속도 자승
저감 토오크
2
정격 토오크
1
정토오크
모터 모드
0
1
2
© ABB Group - 23 4-Jul-16
발전기 모드
유도전동기의 전형적인 토오크/속도 특성 곡선
속도
Basics to
AC drives


제어성의 향상

정밀/최적의 속도/토오크 운전: 품질 향상

원격제어: 자동화
생산성 향상


© ABB Group - 24 4-Jul-16

가변속 구동의 목적
라인 속도의 상승
전력 절감

최적 속도 운전

전력 감소: 팬, 펌프
비용 절감

기동/충격 전류 방지: 전원의 설비비/보수비 절감

부드러운 기동/정지: 동력 전달장치/부하의 기계적 손상 방지

최적 운전: 기계 마모 감소
Basics to
AC drives
가변속 제어 vs. 고정속도
 직입기동 AC 모터
 가변속 제어 AC 모터
모터
주파수 변환기
정류기
L
L1
U1
V1
W1
L2
M3~
L3
DC 링크
인버터
+
V1 V3
C
V5
Ud
-
V4
U1
V1
W1
M 3~
V6 V2
전자 제어 회로
제어, 모니터링, 통신
토오크
© ABB Group - 25 4-Jul-16
속도
Basics to
© ABB Group - 26 4-Jul-16
AC drives
유도전동기의 토오크/속도 곡선-인버터 사용
Basics to

자승저감 토오크 부하
펌프, 팬, 믹서
% of the rated value
AC drives
M = f(n2)
전원
Torque
Line Current
Motor Voltage
Motor Power
Motor Current
160
140
120
100
80
60
40
20
0
0
10 20
30 40 50 60
© ABB Group - 27 4-Jul-16
Frequency in Hz
Basics to
정 토오크 부하
AC drives

엘리베이터, 컨베이어, 크레인
Torque
Motor Current
Motor Voltage
Motor Power
Line Current
% of the Rated Value
120
d/2
100
80
60
40
20
0
© ABB Group - 28 4-Jul-16
F = m*g
M = constant
F = constant
M = F*d/2
전원
0 10 20 30 40 50 60 70
Frequency in Hz
Basics to
AC drives
와인더
Torque
Motor Current
Motor Voltage
Motor Power
Line Current
120
% of the Rated Value

정 출력 부하
100
80
60
40
20
0
0 10 20 30 40 50 60 70
Frequency in Hz
ACS800
댄서
ACS800
위치
Vref
속도제어
Fdan
Vref
© ABB Group - 29 4-Jul-16
댄서 설정값
기본설정 50%
Add
Vmax
Mul
PI
Basics to
AC drives

다양한 산업분야에 대한 폭 넓은
이해와 경험 중요

© ABB Group - 30 4-Jul-16

AC 드라이브 및 모터 – 응용 분야
요구 사항 경로: 산업분야 -> 응용분야 > 모터 타입 -> 드라이브 타입
무엇을 요구하는가를 아는 것 중요

요구에 따라 드라이브의 사양 결정

간단한 부하 -> 낮은 기능, 범용

복잡 및 많은 것을 요구하는 부하 ->
고기능, High performance
Basics to
AC 드라이브 및 모터- 용량(타입) 선정 흐름
AC drives
선정 경로
네트워크k
드라이브
모터
부하
T
1) 네트워크의 기본 조건 확인
2) 부하의 기본 조건 확인
fN=50 Hz, 60 Hz
Ts
Tload
UN=380…690 V
nmin
T
3) 아래 기준에 따라 모터 선정
Ts
• 온도에 따른 부하율
Tload
• 운전 속도 범위
© ABB Group - 31 4-Jul-16
• 필요한 최대 토오크
nmin
4) Select a frequency
converter according to:
Imax
• Load type
IN
Calculate
motor current
• Continuous and maximum
current
• Network conditions
nmax
nmin
nmax
nmax
Basics to
AC drives

AC 드라이브 및 모터 – 응용 분야
기계적인 에너지(부하)의 특성이 속도에 따라 다양한 특성을 가지고
있음

정토오크 부하 (T= n)

속도 자승저감 토오크 부하 (T =

정출력 부하 (P = n)
n2)
P (kW)= Torque (Nm) x speed (rpm) / 9550

모터는 전기적인 에너지를 기계적인 에너지로 전환

AC 드라이브(주파수 변환기)는 모터의 유도 전자기를 제어함

AC 드라이브는 전압과 주파수 제어

모터의 속도와 토오크 제어
Voltage
Frequency
Torque
Speed
© ABB Group - 32 4-Jul-16
Mechanics
program start
Electronics
question
Software
Action 1
Action 1
Basics to
AC drives
AC 모터 vs. DC 모터 - 이점
© ABB Group - 33 4-Jul-16
운영 시간에 따른 이점

AC 모터가 더 튼튼한 구조를 가짐

정류자 및 브러쉬의 점검 필요 없음

공기 여과기의 점검이 필요 없음

에너지 절감 능력이 뛰어남
DC motor commutator needs
maintenance and service
DC motor need to have air filter or
air ducts to provide clean air
Basics to
AC drives
DC vs AC
기술 방식
AC 드라이브, 주파수 제어
DC 드라이브
UD = UD1 * cos 
3
이론적인 다이어그램
=
3
M
=
UD
=
ID
속도 제어
n

U
D
 I D*R
n

© ABB Group - 34 4-Jul-16
f
(1  s)
p
아주 좋음, tAM = about 10 ms
중간; tAM = 50 ms
cos

nN
00
1
1
1
cos
00
기타 기능

1:20...1:1000 (n = 0)
역률
효율
출력 범위
3
> 1:100 (n = 0)
1
M
3

속도 범위
다이나믹 정도
=
=
nN
00

nN
00
nN
0,5...2000...(26 000) kW
0,1...8000 kW
IP23/IP44R의 경우 비용 저렴; 집진기
유지/보수비 절감, 보호등급 우수, 바이패스 구성
Basics to
AC drives
AC 드라이브 vs. DC 드라이브
AC 드라이브
AC 드라이브,
DC 드라이브
벡터 제어
1.
토오크
전류 제어
6
5
1.
1
4
2
전기자
전류 제어
3
2.
자속
전류 제어
2.
자속
전류 제어
3.
전동기 모델을
통하여 환산된
전류 피드백
3.
측정된 전류
피드백
속도 제어
4.
4.
5.
속도 레퍼런스
5.
속도 레퍼런스
6.
토오크 레퍼런스
6.
토오크 레퍼런스
© ABB Group - 35 4-Jul-16
DC 드라이브
6
속도 제어
M
5
1
4
=
2
M
3
Basics to
AC drives
AC 드라이브. DC 드라이브
DC 드라이브
AC 드라이브
PWM 인버터
출력 범위
저~고출력
저~고출력
전력 변환
AC-DC
AC-DC-AC
정류기 타입
싸이리스터
다이오드
인버터 타입
-
IGBT
제어 방식
속도/토오크 제어
PWM-Direct Torque Control
기술 개발
1960 년대 초
1970 년대 초
아날로그, 디지털
디지털
DC 모터
유도전동기
모터 종류
PM 모터
© ABB Group - 36 4-Jul-16
특별 요구 사항
있음, 슬립링
없음
청정 공기 필요성
필요함
필요 없음
엔코더 필요 여부
필요함
필요 없음
Basics to
AC drives
AC 드라이브 vs. DC 드라이브
DC 드라이브
AC 드라이브
PWM 인버터

네트워크 전류
- 저속도 영역
높음
낮음 ( 0)
- 정격속도 영역
높음
높음
Cos
0 .. 0.80
( 속도)
> 0.95
( 일정)
응답성
우수함
우수함
부드러움
부드러움
영속도 크로싱
중간
부드러움
정격 부하시 효율
중간
높음
부분 부하시 효율
낮음
높음
높음
높음

낮음( 0)
높음 -
(출력, 토오크)
© ABB Group - 37 4-Jul-16
토오크 리플
고조파 왜곡:
- 저속도 영역
- 정격속도 영역
Basics to
AC drives
AC 드라이브 vs. DC 드라이브
AC 드라이브
PWM 전압원 인버터
DC 드라이브
전류원 인버터
속도 100%
토오크 100%
선전류
무효전류
100
18 cos  Good
선전류
무효전류
119
70
선전류
무효전류
119
120 cos  VeryPoor
cos  Poor
© ABB Group - 38 4-Jul-16
속도 10%
토오크 100%
선전류
무효전류
10
2
cos  Good
Basics to
AC 드라이브 : 고토오크 – 낮은 전류
AC drives
IV
IM
M
IV= PWM 주파수 변환기의 전류
IM= 모터 전류
T = 부하 토오크 (일정)
TN, IN = 모터 정격 토오크 및 전류
T I
,
TN IN
1.2
IM , T
1.0
0.8
IV
0.6
0.4
0.2
© ABB Group - 39 4-Jul-16
0.2
0.4
T
0.6
0.8
1.0
n
nN
Basics to
AC drives
AC 드라이브: 낮은 무효전력
AC 드라이브의 이점
다이오드 정류기의 사용에
따른 낮은 무효전력

모든 속도 범위에서 정
출력 유지

무효전력에 대한 보상이
필요 없음
Reactive
ReactivePower
PowerConsumption
Consumption
at
nominal
load
torque
at nominal load torque(diode
(diodebridge)
bridge)
DC
DC
100%
100%
80%
80%
PN
QQ/ /PN

60%
60%
40%
40%
20%
20%
© ABB Group - 40 4-Jul-16
운전 비용을 절감할 수
있음
PWM
PWM(AC)
(AC)
0%
0%
0%
0%
20%
20%
40%
40%
60%
60%
nn/ /nN
nN
80%
80%
100%
100%
Basics to
AC 드라이브: 낮은 선 전류
AC drives
AC 드라이브의 이점

낮은 기동 전류, 돌입 전류의 영향 없음

낮은 선 전류, 네트워크로부터 유효전력만 사용
600%
600%
500%
500%
DOL
DOL
400%
400%
300%
300%
200%
200%
100%
100%
DC
DC
PWM
PWM(AC)
(AC)
© ABB Group - 41 4-Jul-16
0%
0%
0%
0%
20%
20%
40%
40%
60%
60%
80%
80%
nn/ /nN
nN
발전 및 송/배전에 필요한 비용 및 수명 연장
비용을 줄일 수 있음
100%
100%
Basics to
AC drives
AC 드라이브: Low harmonics

낮은 네트워크 하모닉

하모닉은 선전류에 비례함
20.0%
20.0%
In / IN
In / IN
15.0%
15.0%
10.0%
10.0%
DC 5th
DC 5th
AC 5th
AC 5th
DC 7th
DC 7th
AC 7th
AC 7th
DC 11th
DC 11th
AC 11th
AC 11th
© ABB Group - 42 4-Jul-16
5.0%
5.0%
0.0%
0.0%
0%
0%
20%
20%
40%
40%
60%
60%
n / nN
n / nN
80%
80%
100%
100%
Basics to
AC drives

AC 드라이브와 유도전동기는 패키지로 공급

© ABB Group - 43 4-Jul-16
왜, AC 드라이브 인가?
보다 경제적이며 최적의 방법

AC 드라이브는 프로세스의 요구에 따라 전동기의 속도 및 토오크를
제어하는 데 사용

상위 프로세스 제어 및 에너지 보존(에너지 효율)이 AC 드라이브를
사용하는 가장 중요한 이유임.

AC 드라이브의 다른 명칭

주파수 변환기

VSD (variable speed drive)

VFD (variable frequency drive)

VVVF (variable voltage variable frequency)
Basics to
AC drives

다양한 프로세스 진단 정보


에너지 소모, 흐름(에너지) 계산, 출력, 토오크, 속도, etc
최적의 모터 보호


AC 드라이브 – 이점
단락, 저전압, 접지 고장, 출력 제한, etc
원격 조정 & 진단
전원 공급
사용자 인터페이스
프로세스 인터페이스
© ABB Group - 44 4-Jul-16
모터
제어
프로세스
모터
Basics to
AC drives
보다 나은 공정제어를 위한 AC 드라이브 기능
© ABB Group - 45 4-Jul-16
중요한 기능:

정역 운전

가속 및 감속 시간 설정

가변 토오크 V/Hz 설정

토오크 부스팅(torque boosting)

기계적인 진동 제거

불필요한 고장을 예방하기 위한 부하 제한

순시정전 보상 운전 기능

스톨(stall) 보호 기능

슬립 보상

회전중 기동(flying start)

Etc.
Basics to
AC drives
AC Drive 주요부

AC Drive의 기본 원리

전력 변환 반도체

정류부

역변환부

인터페이스
Software
Process
Control
Scalar or
Vector
M, n Motor
Control
Modulation Hardware
e.g. PWM
Inverter
U, f Inverter
Power
Control
Stage
M
© ABB Group - 46 4-Jul-16
Feedback
Drive Power
Process
Basics to
© ABB Group - 47 4-Jul-16
AC drives
AC 드라이브 테크놀로지

LV AC 드라이브

MV AC 드라이브
Basics to
AC drives
전압형/전류형
L +
VSI:
Constant
DC-bus
Voltage
V1 V3 V5
U1
L1
L2
Ud
C
V1
W1
L3
-
V4 V6 V2
L
CSI:
Constant
DC-bus
Current
V1
V5
I
L1
U1
L2
V1
L3
I
W1
V4
© ABB Group - 48 4-Jul-16
V3
L
V6
V2
Basics to
AC drives
전압형/전류형
L +
VSI:
Constant
DC-bus
Voltage
V1 V3 V5
U1
L1
L2
Ud
C
V1
W1
L3
-
V4 V6 V2
L
CSI:
Constant
DC-bus
Current
V1
V5
I
L1
U1
L2
V1
L3
I
W1
V4
© ABB Group - 49 4-Jul-16
V3
L
V6
V2
Basics to
AC 드라이브 하드웨어 구성
AC drives

단독 드라이브
1)
2)
3)
4)
M
1)
© ABB Group - 50 4-Jul-16

멀티
드라이브
2)
4)
3)
M
M
M
Basics to
AC drives
공통 DC 버스
필터
네트워크
정류기
공통 DC-버스
커패시트 뱅크
© ABB Group - 51 4-Jul-16
6 인버터
Basics to
AC drives


드라이브 기본 구성 (drives)

정류기 (6 펄스, 12-펄스, 18-펄스, etc)

DC 충전회로부

인버터 (IGBT 테크놀로지)

제어부 (모터 제어, 감시, 인터페이스)
다양한 정류기 회로 구성

© ABB Group - 52 4-Jul-16
AC 드라이브 테크놀로지
비 회생 & 전원 회생
Basics to
© ABB Group - 53 4-Jul-16
AC drives
무엇이 VSD인가 ?
Basics to
AC drives
전원회생형 VSD란?
Uline
필터
UDC
인버터
Uout
DC 링크
+
L1
전원
L2
C
Ud
L3
-
모니터링
© ABB Group - 54 4-Jul-16
제어
전자 제어 회로
제어, 모니터링, 통신
인버터
모터
U1
V1
W1
M3~
Basics to
AC drives
AC 드라이브 테크놀로지
장치
네트워크
운전 모드
입력 전압
전원공급
유닛
정류
DC 버스,
커패시트
초오크
평활
인버터
유닛
역변환
모터
© ABB Group - 55 4-Jul-16
파형
M
3
드라이브 시스템의 기본 구성
모터
Basics to
AC drives
전력 변환 반도체
THYRISTOR, SCR
GTO
BIPOLAR
TRANSISTOR IGBT
FET
FETh
전압
6000
4500
1600
1600
1000
3500
4500
V
전류
5000
4000
1200
400
10
50
50
A
주파수
400
400
2000
20000
100000
5000
10000
Hz
출력
104
104
103
103
101
102
102
kW
칩 크기
80
80
>10
>10
5
2
5
cm2
개발년도
1960
1977
1985
1991
1980/
1993
1995
90
© ABB Group - 56 4-Jul-16
MCT
Basics to
정류부
AC drives
IEC
심볼
변압기
1차
변압기
2차
컨버터
구성
Udc/Uac
Iac/Idc
0,900
1,00
1,350
0,816
2,701
0,408
+
1
9
1
0
2
2
-
2
10
+
3
or
1
1
2
3
or
2
1
3
+
13a
3
5
1
3
5
6
2
4
6
1
or
4
© ABB Group - 57 4-Jul-16
2
-
Basics to
AC drives
역변환부(인버터부)
V1
V2
U
V3
V
V5
V4
V6
UVW 0o
W
UWU
V1
V2
V3
V4
V5
V6
UUW
180o
© ABB Group - 58 4-Jul-16
360o
180o
120o
300o
360o
Basics to
AC drives
PWM: Pulse Width Modulation
U2
ULine
=
© ABB Group - 59 4-Jul-16
ULine
Ud
Ud
=
U2 at 1/2 fmax
M3
U2 at fmax
Basics to
© ABB Group - 60 4-Jul-16
AC drives
AC 드라이브 기술

브릿지 정류기를 통하여 AC 전원을 맥동 성분의 DC 중간 전압으로
변형

LC 필터를 통하여 맥동 DC 전압을 평활시킴

DC 커패시터가 DC 전압을 일정하게 유지시킴

커패시터의 수량은 드라이브의 용량에 따름

인버터 회로에서 DC 전압의 폭을 조정하여 모터가 요구하는
주파수대의 전압으로 변형함

모터의 전압은 전압 펄스의 폭과 길이를 제어(PWM)하여 형성함

모터의 전류 파형은 전압의 펄스 형태와 모터의 리액턴스 성분의
영향을 받음

높은 스위칭 주파수는 모터 전류의 파형을 정현파에 가깝게 만들어
줌
Basics to
AC 드라이브 기술
AC drives


보다 나은 전압 파형이 보다 좋은 전류 파형을 만듦

낮은 전동기 손실

낮은 전동기 소음

낮은 토오크 하모닉
높은 종합 효율
© ABB Group - 61 4-Jul-16

최적화 예

높은 스위칭 주파수 >>>> 높은 컨버터 손실

낮은 스위칭 주파수 >>>> 높은 전동기 손실
Basics to
AC drives
AC 드라이브 제어 방식
1970’s: 주파수 제어
1980’s: 자속 벡터 제어
V
주파수
변환 신호
속도
제어
V/F비
토오크
제어
모듈레
f 이터
V
f
모듈레
이터
AC
AC
T
© ABB Group - 62 4-Jul-16
1990’s: Direct Torque Control
속도
제어
토오크
제어
AC
Basics to
AC drives
모터 제어 시스템
 벡터 제어
nw
Speed
Control
nx
 스칼라 제어
Frequ.
ref.
V/f
ratio
Torque
Control
V
Modulator
Modulator
© ABB Group - 63 4-Jul-16
ASM
f
T
ASM
V
f
Basics to
AC drives
Scalar 제어: V/f 제어
약계자 범위
정토오크 범위
U = 일정
U/f = 일정
또는 변경 가능
U
= ca. 1/f
UN
N = constant
IR-comp
© ABB Group - 64 4-Jul-16
0
U = 전압
f = 주파수
= 자속
I = 전류
R = 고정자 저항
= (f/fN)2
fN
f
Basics to
자속 벡터 제어
AC drives
Flux vector control
장점:
–토오크 응답성이 좋다.
V
속도
제어
토오크
제어
모듈레
f 이터
AC
–제로속도에서 정격 토오크 생성
T
특징:
© ABB Group - 65 4-Jul-16

–스피드 제어 정도가 좋다.
Field oriention 제어 - DC
drive와 유사

모터의 전기적 특성을 Motor
Model로 근사화

토오크를 간접적으로 제어

Closed-loop 제어

모듈레이터가 필요하다.
–DC 드라이브에 가까운 성능이다.
단점:
–피드백 장치가 필요하다.
비용
신뢰성
–모듈레이터에 의한 시간지연이 있다.
Basics to
DTC
AC drives
이점:

별도의 모듈레이터가 필요
없다.

토오크와 자속을 직접 제어

최적 스위칭

(모터 상태에 따라 스위치 위치
결정)

모듈레이터에 의한 지연이 없다.

모터 소음 최소화
토오크:
DTC
© ABB Group - 66 4-Jul-16
비교
연산기
최적
스위칭
로직
=
전동기
모델
3~
PWM
Basics to
AC drives
Direct Torque Control
DTC 컨셉

빠르고 정확한 제어

부하의 변화에 즉각적으로
반응

낮은 가청 소음 및 높은
전동기 부하율

에너지 절감

엔코더 이상 시에도
연속적인 운전 가능
파워풀한 DSP를
통하여
모터의 상태를
매 25 s 마다 연산
토오크 레퍼런스
속도
레퍼런스
속도
제어
토오크
레퍼런스
제어기
REF
토오크
및 자속
비교연산기
토오크
및 자속
PID

네트워크의 불안정시에도
회전 중 재 기동 가능
스위칭
로직
=
~
스위치
위치
모터 모델
전압
전류
3~
© ABB Group - 67 4-Jul-16
연산된 속도
측정된 속도
DTC 코어
Basics to
Direct Torque Control
AC drives
기능

Power Loss Ride Through
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
Theor.
DTC
C1
C2
C3

Open Loop
DTC
© ABB Group - 68 4-Jul-16
C4
Torque
Closed Loop
Flux vector
C5
C6
Based on third party measurements
Time / s

빠른 토오크 상승 시간

오픈루프 PM DTC
(또는 폐루프 DTC)
1..2 msec

오프루프 DTC
< 5 msec

오픈루프 자속 벡터
> 100 msec

폐루프 자속 벡터
10 ~ 20 msec

프로세스 제어 개선

생산성 및 품질 향상
순시정전 보상 기능

불필요한 프로세스 중단 현상 해소

짧은 동력 차단 시간으로 조업
중단시간 최소화
전동기 회전 중 재 기동
Basics to
AC drives
Direct Torque Control
기능
Dynamic Performance
오픈루프 PM DTC
(또는 폐루프 DTC)
0,1..0,2 %sec

오픈루프 DTC
0,1..0,4 %sec

오픈루프 자속 벡터
4 %sec

폐루프 자속 벡터
0,4 %sec


1,5
높은 다이나믹 속도 정밀도

n
1,2
우수한 동기 기능(PM DTC)

T
정적/다이나믹 상태에서 높은
정밀도
Impact drop / %sec.

0,9
0,6
0,3
프로세스 정밀 제어를 위한
엔코더가 필요치 않음
C6
C5
C4
C3
C2
C1
DTC
© ABB Group - 69 4-Jul-16
0,0
Based on third party measurements
No encoder used
Basics to
© ABB Group - 70 4-Jul-16
AC drives
AC 드라이브 사용 시 현상

고조파

EMC

전동기 절연 전압 및 축 전류(Bearing currents)
Basics to
AC drives
고조파(Harmonics)
© ABB Group - 71 4-Jul-16
영향

민감한 전기 장치에 영향

전등 기구 손상

통신 장애

차단기 오동작

휴즈 소손

커패시터 충전 이상
Source
Network Impedance
Bridge
Reflected waveforms
Link Inductance Capacitor
Basics to
AC drives
고조파(Harmonics)
경제적인 고려 사항

변압기, 케이블, 도체의 과열

부하 용량 저감 사용
100 %


인버터 용량 초과
선정(oversizing) 필요
손실
낮을 역률
80 %
70 %
Ih / In [%]

THD (I) = 31.1%
90 %
60 %
50 %
40 %
30 %
20 %
고조파는 무효전류와 같이
10 %
0%
1
발전기의 용량을 저감시킨다.
© ABB Group - 72 4-Jul-16
(디젤 발전기의 경우 40%로 감소)
(예)3상프리지 회로에 있어서
발생차수는 6이상인 경우,
5,7,11,13.....(n=6m±1, m은
자연수임)
2
3
4
5
6
7
8
9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30
Harmonic number
6-펄스 다이오드 브릿지 하모닉 스펙트럼
Basics to
AC drives
고조파(Harmonics) – 해결 방법
AC Line
Reactor

리액터(Reactor, Chokes)
M
전류 TDD: 30~40%

DC Link
Reactor
수동 필터

하모닉 트램
M
전류 TDD: 10~14%

하이브리드 필터
© ABB Group - 73 4-Jul-16
전류 TDD: 5~8%

다중-펄스 정류기

저하모닉 드라이브

능동 필터
하모닉 트랩
하이브리드 필터
Basics to
AC drives

다중펄스 정류기
6-펄스 정류기
DC/AC

12-펄스 정류기

(30도위상차)

18-펄스 정류기
DC/AC
DC/AC
변압기 결선 간단
© ABB Group - 74 4-Jul-16
변압기 및 케이블 결선 복잡
Ithd 32% ~ 48%
리액터 %Z = 3%
(네트워크 임피던스에 따름)
Ithd 8% ~ 12%
(네트워크 임피던스에 따름)
변압기 및 케이블 결선 매우 복잡
Ithd 5% ~ 8%
(네트워크 임피던스에 따름)
Basics to
AC drives
필터
ABB 저하모닉 드라이브
인버터
DC 링크
인버터
C
Ud
U1
V1
W1
M3~

액티브 서플라이 유닛 &
라인 필터

케이블 결선 간단

역률 1.0

전류 THD 3.5% - 4.5%
Current spectrum of low harmonic drive
100
10
Percentage [%]
Active supply
Diode supply
-
© ABB Group - 75 4-Jul-16
내장형 솔루션
Motor
+
L1
L2
L3

1
0,1
0,01
0,001
0,0001
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
Frequency [Hz]
7000
8000
9000
10000
Basics to
© ABB Group - 76 4-Jul-16
AC drives
고조파 - 능동필터
© ABB Group - 77 4-Jul-16
Basics to
AC drives
EMC
Basics to
© ABB Group - 78 4-Jul-16
AC drives
EMC – 저감 방법
Basics to
© ABB Group - 79 4-Jul-16
AC drives
EMC – 케이블 방법(예)
Basics to
드라이브 사용시 전동기 케이블

적합한 케이블 타입

부적절한 케이블 타입
2005-02-15
© ABB Group - 80 4-Jul-16
AC drives
Basics to
© ABB Group - 81 4-Jul-16
AC drives
전동기 전압 및 축전류

전동기 단자에서 과전압 발생

전동기 축전류

접지 전류

자기적, 구조적 불균형
Basics to
© ABB Group - 82 4-Jul-16
AC drives
전동기 전압 및 축전류 – 저감 방법

적합한 케이블 및 접지 시스템

축전류 루프 차단

고주파 커먼모드 전류 차단