속도제어

유도전동기는 큰 속도제어가 요구되는 응용에 좋은 전동기이다.

속도제어하는 방법으로는 동기속도를 변화시키는 방법과 전동기의 슬립을 변화시키는 방법이 있다.

유도기의 종류에 따라 속도제어 방법을 다르게 적용한다.

농형유도기 속도제어에 주로 적용하는 방법은:

극수변환법
주파수변환법
전압제어법

권선형유도기 속도제어에 주로 적용하는 방법은:

2차저항제어법
2차여자법(슬립제어)

동기속도 변화방법

극수 변화 :

논리극 변환법 → 단점 : 속도가 항상 2:1 비율
다중의 고정자권선
권선형 : 고정자 극수를 바꾸면 회전자는 바꿔줘야함
농형 : 고정자의 극수를 바꾸면 회전자는 자동적으로 같은 극수로 전환
공작기계, 권상기, 송풍기

주파수 변화 :

기본속도(동기속도)의 위아래로 전동기의 속도를 조정하는 것이 가능
안전한 구동을 위해 전동기의 일정한 전압과 토크제한을 유지하는 것이 중요
$V = 4.44 f N\Phi K_{\omega}$ ,
$\Phi\propto\dfrac{V}{f}$ 큰 포화작용을 피하기 위해 단자 전압은 주파수에 비례하여 변화시켜야 함 → 일정 V/f방식

기본 주파수 이하

주파수(f)에 대한 전압(V)의 크기를 변화하여 공극 자속을 일정하게 유지 → 최대 토크의 크기는 같음
단자전압은 고정자주파수가 감소함에 따라 선형적으로 감소해야 함 → 정격저하
정격저하를 하지 않으면 철심의 철이 포화되고 과도한 자화전류가 흐름

기본 주파수 초과

전압(V)은 증가할 수 없으므로 공극자속 감소 → 최대 토크 감소 (약계자 제어) → 일정 출력(전력) 동작이 가능

특징

광범위한 속도 제어에 적합
부하 변동에 대한 속도 변동이 적음
효율이 좋다.
전력전자 기술 발달에 의한 저비용으로 설치 가능
선박추진용전동기, 인견, 방직공장의 포트모터

종속법

권선형 전동기에만 적용이 가능한 속도 제어 방법이다.

극수가 서로 다른 전동기들의 축을 연결시켜서 속도를 제어하는 방식이다.

직렬접속

두 대의 전동기 IM1과 IM2의 축을 연결하고 IM1의 회전자에서 나오는 단자를 IM2의 고정자 단자에 연결한다.

IM2의 고정자와 회전자는 Y결선으로 연결한다.

두 전동기의 회전자계의 방향이 같을때 회전자의 속도는 식(1)과 같다.

$\tag{1} n =\dfrac{120f}{P_{1}+P_{2}}$

차동접속

직렬접속과 같은 방식에서 두 전동기의 회전자계의 방향이 반대가 되게 만든다.

이때의 회전자의 속도는 식(2)와 같다.

$\tag{2} n =\dfrac{120f}{P_{1}-P_{2}}$

병렬접속

IM1과 IM2를 전원에서 같은 방향의 회전자계가 발생하게 연결한다. 회전자 단자를 병렬로 연결한다.

이때의 회전자의 속도는 식(3)과 같다.

$\tag{3} n =\dfrac{120f}{\dfrac{P_{1}+P_{2}}{2}}$

슬립변화

선로 전압 변화

$\tau_{\max}=\dfrac{3V_{TH}^{2}}{2\omega_{sync}[R_{TH}+\sqrt{R_{TH}^{2}+(X_{TH}+ X_{2})^{2}}]}$
토크는 인가전압의 제곱에 비례
효율이 나쁨
부하 변동에 따른 속도 변동이 커짐
속도 제어 범위가 작음
$\dfrac{s_{2}}{s_{1}}=\left(\dfrac{V_{1}}{V_{2}}\right)^{2}$

회전자 저항 변화

비례 추이 원리에 의한 속도제어

장점

조작이 간단하고 원할한 제어가 가능
속도 제어용 저항기를 기동기로 사용가능

단점

2차 동손이 커지고 효율이 나빠짐
2차 저항이 큰 경우 : 부하 토크 변동에 대한 속도 변동이 커짐

2차 여자법

-슬립주파수전압의 공급방식에 따른 분류

외부 저항 대신 보조기에서 발생한 전압을 2차 회로에 슬립 전압을 상쇄하는 방향으로 인가 ⇒ 슬립 2차 전류는 0이되고 토크도 0이 되어 무부하 상태와 같게됨.
슬립 주파수 전압과 같은 방향 ⇒ 속도 증가, 반대방향 ⇒ 속도 감소

크레머 방식

직류 전동기의 계자를 제어하여 유도 전동기 속도 제어
IM과 DM을 기계적으로 직결
IM의 2차 출력은 정류기를 통하여 DM에 공급
속도 제어는 DM의 계자전류 $i_{f}$ 를 조정하는 것으로 행함
1차 전류가 같으면 속도가 변해도 역률은 크게 변하지 않음
이 방식은 정출력 속도 제어에 적합

세르비어스 방식

인버터를 이용한 방식
IM의 2차 출력을 정류기, 인버터 및 변압기를 통하여 전원에 반환
속도 제어는 인버터용 사이리스터의 게이트 점호 위상을 조정하는 것으로 행함
유도전동기로의 입력 → $(1-s)P$ 가 기계적 출력, $s P$ 가 2차 출력
1차 전류가 같으면 속도에 관계없이 토크가 일정 → 정토크 속도제어에 적합

Lecture 속도제어