가변 주파수 드라이브(VFD)의 동작원리

가변 주파수 드라이브(VFD - Variable frequency drives)는 다양한 특성으로 인해 모터 제어를 위한 가변 주파수 드라이브와 같은 AC 모터 구동 응용 분야에서 광범위하게 사용됩니다.

 

기존 모터 드라이브와 비교하여 VFD는 더 큰 기능과 작동 능력을 가지고 있습니다. 조정 가능한 속도 제어 외에도 가변 주파수 드라이브는 위상, 부족 및 과전압 보호와 같은 보호 기능을 제공합니다. VFD의 소프트웨어 및 인터페이스 옵션을 통해 사용자는 원하는 수준에서 모터를 제어할 수 있습니다.

 

 

 

 

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1. 가변 주파수 드라이브(VFD)란?

AC 모터 속도는 전압 또는 주파수를 제어하여 두 가지 방법으로 제어됩니다. 주파수 제어는 전압 제어보다 일정한 플럭스 밀도로 인해 더 나은 제어를 제공합니다. 이것은 VFD의 작동이 작동하는 곳입니다. 입력 전원의 고정 전압, 고정 주파수를 가변 전압으로 변환하고, 가변 주파수 출력으로 변환하여 AC 유도 전동기를 제어하는 전력 변환 장치입니다.

 

전력 전자 장치(예: IGBT, MOSFET), 고속 중앙 제어 장치(예: 마이크로프로세서, DSP) 및 사용되는 애플리케이션에 따라 선택적 감지 장치로 구성됩니다.

 

대부분의 산업 응용 분야는 최대 부하 조건에서 가변 속도와 정상 작동 조건에서 일정한 속도를 필요로 합니다. VFD의 폐쇄 루프 작동은 입력 및 부하 교란의 경우에도 모터의 속도를 일정한 수준으로 유지합니다.

 

 

 

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2. VFD의 동작방식

가변 주파수 드라이브의 두 가지 주요 기능은 조정 가능한 속도와 소프트 스타트/정지 기능입니다. 이 두 가지 기능은 VFD를 AC 모터를 제어하는 강력한 컨트롤러로 만듭니다. VFD는 주로 4개의 섹션으로 구성됩니다. 그것들은 정류기, 중간 DC 링크, 인버터 및 제어 회로입니다.

 

 

 

1) 정류기:

가변 주파수 드라이브의 첫 번째 단계입니다. 주전원에서 공급되는 AC 전원을 DC 전원으로 변환합니다. 이 섹션은 모터의 4사분면 작동과 같이 사용되는 응용 분야에 따라 단방향 또는 양방향일 수 있습니다. 다이오드, SCR, 트랜지스터 및 기타 전자 스위칭 장치를 사용합니다.

 

다이오드를 사용하는 경우 SCR을 사용하는 동안 변환된 DC 전력은 제어되지 않는 출력이며, DC 출력 전력은 게이트 제어에 의해 변경됩니다. 3상 변환에는 최소 6개의 다이오드가 필요하므로 정류기 장치는 6개의 펄스 변환기로 간주됩니다.

 

2) DC 버스:

정류기 섹션의 DC 전원은 DC 링크로 공급됩니다. 이 섹션은 커패시터와 인덕터로 구성되어 리플을 부드럽게 하고 DC 전원을 저장합니다. DC 링크의 주요 기능은 DC 전원을 수신, 저장 및 전달하는 것입니다.

 

3) 인버터:

인버터는 트랜지스터, 사이리스터, IGBT 등과 같은 전자 스위치로 구성됩니다. DC 링크에서 DC 전원을 수신하고 모터로 전달되는 AC로 변환됩니다. 펄스 폭 변조와 같은 변조 기술을 사용하여 유도 전동기의 속도를 제어하기 위해 출력 주파수를 변경합니다.

 

4) 제어 회로:

마이크로프로세서 유닛으로 구성되며 제어, 드라이브 설정 구성, 오류 상태 및 통신 프로토콜 인터페이스와 같은 다양한 기능을 수행합니다. 전류 속도 기준으로 모터로부터 피드백 신호를 수신하고 그에 따라 모터 속도를 제어하기 위해 전압과 주파수의 비율을 조절합니다.

 

 

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3. VFD의 응용

VFD의 응용은 사이클로 컨버터에 의한 AC 모터 속도 제어입니다.

주전원의 전원은 고정 AC를 고정 DC로 변환하는 정류기 회로로 공급됩니다. 3개의 레그 컨버터는 각 위상에 대해 병렬로 연결된 2개의 다이오드로 구성되며, 특정 위상이 비교적 더 양수 또는 음수일 때 다이오드 중 하나가 전도됩니다.

 

 

정류기에서 생성된 펄스 DC 전압은 DC 링크 회로에 적용됩니다. 이 중간 회로는 인덕터와 커패시터로 구성됩니다. 리플 함량을 줄여 펄스 DC를 필터링하고 DC 전력에 일정한 레벨을 제공합니다.

모터에 가변 전압 및 가변 주파수를 제공하려면 DC 링크의 DC 전원을 인버터에 의해 가변 AC로 변환해야 합니다. 인버터는 PWM 기술에 의해 제어되는 스위칭 장치인 IGBT로 구성됩니다.

 

정류기 회로와 마찬가지로 인버터 스위치도 양극과 음극의 두 그룹에 속합니다. 양극 측 IGBT는 양극 펄스를 담당하고 음극 측 IGBT는 인버터 출력에서 음의 펄스를 담당합니다. 따라서 얻어진 출력은 모터에 적용되는 교류입니다.

스위칭 기간을 변경하면 인버터에서 전압과 주파수가 동시에 조절됩니다. 최신 VFD는 스칼라, 벡터 및 직접 토크 제어와 같은 최신 제어 기술을 사용하여 가변 전력을 달성하기 위해 인버터 스위치를 제어합니다.

 

 

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위의 그림은 전압과 주파수가 가변 주파수 드라이브에 의해 어떻게 변하는지 보여줍니다. 예를 들어, AC 480V, 60Hz 공급은 VFD에 적용되어 속도를 제어하기 위해 신호 전압과 주파수를 변경합니다.

주파수가 감소하면 모터의 속도도 감소합니다. 위의 그림에서 모터에 적용된 평균 전력은 이 두 매개변수의 비율이 일정하다는 전제 하에 전압과 주파수를 모두 감소시키면서 감소하고 있습니다.

 

 

VFD는 아래에 제공된 마이크로 컨트롤러 회로에 의해서도 구현될 수 있습니다. VFD와 유사하게 정류기 섹션, 필터링 및 인버터 섹션으로 구성됩니다. 여기서 인버터 섹션은 프로그래밍된 마이크로 컨트롤러에서 발사 펄스를 가져와 부하에 가변 전압과 주파수를 제공합니다. 이 프로젝트는 SVPWM을 사용하여 부하 전반의 AC 전압 및 주파수를 제어하는 단상-3상 컨버터라고 합니다

 

VFD 구현 응용 프로그램

 

 

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4. VFD 특징

 

가변 주파수 드라이브는 정확하고 정밀한 제어 애플리케이션을 위해 조정 가능한 속도를 제공할 뿐만 아니라 공정 제어 및 에너지 보존 측면에서 더 많은 이점을 제공합니다. 

 

 

 

 

1) 에너지 절약

전력의 65% 이상이 산업에서 전기 모터에 의해 소비됩니다. 속도를 변경하는 크기 및 주파수 제어 기술은 모두 모터에 가변 속도가 필요할 때 더 적은 전력을 소비합니다. 따라서 많은 양의 에너지가 이러한 VFD에 의해 보존됩니다.

 

2) 폐쇄 루프 제어

VFD는 부하 조건의 변화 및 전압 변동과 같은 입력 방해 상황에서도 기준 속도와 지속적으로 비교하여 모터 속도의 정확한 위치 지정을 가능하게 합니다.

 

• 한계 시작 전류

유도 전동기는 시동 시 공칭 전류의 6-8배인 전류를 끌어옵니다. 전통적인 시동기와 비교해, VFD는 시작의 시간에 저주파를 전달하기 때문에 더 나은 결과를 줍니다. 주파수가 낮기 때문에 모터는 더 적은 전류를 소비하고 이 전류는 시동 및 작동 시 공칭 정격을 초과하지 않습니다.

 

• 부드러운 작동

시동 및 정지 시 원활한 작동을 제공하고 모터 및 벨트 드라이브에 가해지는 열적, 기계적 응력을 줄여줍니다.

 

3) 높은 역률

VFD의 DC 링크에 내장된 역률 보정 회로는 추가 역률 보정 장치의 필요성을 줄여줍니다.

유도 전동기의 역률은 특히 무부하 응용 분야에서 매우 낮지만 최대 부하에서는 0.88-0.9입니다. 역률이 낮으면 높은 무효 손실로 인해 전력 활용도가 떨어집니다.

 

4) 간편한 설치

사전 프로그래밍되고 공장에서 배선된 VFD는 연결 및 유지 관리를 위한 쉬운 방법을 제공합니다.